Закон Кулона в магнитных измерениях: методы, весы и современные технологии

Магнитные измерения. 1. Закон Кулона. Приборы и приспособления: 1) Особый прибор для измерения силы взаимодействия магнитов. 2) Три-четыре одинаковых магнита. 3) Весы. 4) Разновес. 5) Деревянные бруски.

При демонстрации закона Кулона приходится измерять силу взаимодействия между двумя полюсами. В зависимости от способа измерения этой силы применяемый прибор имеет ту или иную конструкцию.

1-й случай. Кулон впервые ввёл в практику крутильные весы. Прибор Кулона изображён на рисунке 81.

Рис. 81. Весы, которыми пользовался Кулон

2-й случай. В дальнейшем крутильные весы Кулона приобрели более совершенную конструкцию (рис. 82). В весах Кулона применяется несколько одинаковых магнитов в форме спиц. Один из них подвешивается горизонтально на нити. Другой укрепляется неподвижно в вертикальном положении. Подвешенный магнит под влиянием второго магнита поворачивается на некоторый угол; чтобы вернуть магнит в прежнее положение равновесия, надо головку прибора, где укреплен верхний конец нити, повернуть в сторону, обратную вращению магнита; при таком повороте приходится закручивать нить; угол поворота и будет измерять силу кручения нити, а следовательно, и равную ей силу взаимодействия магнитов.

Рис. 82. Весы Кулона новейшей конструкции

Заменяя один неподвижный магнит двумя, тремя и меняя расстояние до подвижного, можно проследить зависимость силы взаимодействия от магнитных полюсов и от расстояния.

3-й случай. Оба магнита устанавливаются вертикально, один (А) неподвижно, а другой (В) вешается на спиральной пружине (рис. 83); чтобы уничтожить влияние веса магнита, он уравновешен противовесом D с помощью шнурка, перекинутого через два блока. Сила притяжения измеряется растяжением пружины С. Пружину можно заменить грузом, положенным на чашку Е; чашка при посредстве двух блоков соединяется шнурком с магнитом В.

Рис. 83. Измерение силы взаимного притяжения двух магнитов

4-й случай. Оба магнита располагаются горизонтально (рис. 84); подвижный кладётся на чашку весов; на другую чашку кладётся груз, уравновешивающий вес магнита и силу взаимодействия. Неподвижный магнит помещается на разной высоте с помощью деревянных брусочков.

Рис. 84. Взаимодействие двух горизонтальных магнитов

5-й случай. Подвижный магнит подвешивается вертикально к коромыслу весов; вместо чашки неподвижный укрепляется горизонтально при помощи стойки (рис. 85).

Рис. 85. Взаимодействие горизонтального магнита с вертикальным

Материалы и точность измерений
- Магниты: Изготавливаются из закалённой стали или AlNiCo (высокая коэрцитивная сила). Форма спиц снижает краевые эффекты.
- Нить в крутильных весах: Кварцевая нить (диаметр ~10 мкм) обеспечивает низкий коэффициент кручения ().
- Пружины: Сталь с линейной упругостью в диапазоне 0.1–10 Н/м.
- Разновесы: Латунные гири калибруются с точностью до 0.01 г.

Современные аналоги и приложения:
- Магнитометры: Используют принцип крутильных весов для измерения слабых полей (например, SQUID-сенсоры в медицине).
- Нанотехнологии: Атомно-силовая микроскопия применяет магнитные иглы для изучения поверхностных сил.
- Космические миссии: Приборы на основе закона Кулона анализируют магнитные поля планет (например, зонд «Юнона» у Юпитера).

Практические рекомендации:
- Устранение помех: Эксперименты проводятся вдали от металлических объектов и источников переменных полей.
- Температурный контроль: Намагниченность и жёсткость пружин зависят от температуры.
- Калибровка: Перед опытом определяется зависимость угла закручивания от известных сил (например, с использованием эталонных грузов).

Сведения об авторе и источнике:

Автор: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров

Источник: Физический эксперимент в школе, том IV «Электричество»