מטרות הניסוי: 1. חקירת התלות של עוצמת השדה המגנטי, שנוצר במרכז לולאה מעגלית נושאת זרם בשני פרמטרים: א. ב. עוצמת הזרם הזורם בלולאה, כאשר מספר הכריכות קבוע. מספר הכריכות של הלולאה, כאשר עוצמת הזרם קבועה. 2. מציאת גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי. רקע תאורטי: לכדור הארץ שדה מגנטי, בו הקוטב המגנטי הדרומי נמצא בסמוך לקוטב הגיאוגרפי הצפוני, ולהפך. בקו המשווה, כיוונו של וקטור השדה המגנטי הארצי מקביל לפני כדור הארץ, אך ברוב המקומות על פני כדה"א, וקטור השדה המגנטי הארצי איננו אופקי. לדוגמא, רכיבי השדה המגנטי הארצי באזור תל- אביב הם: הרכיב האופקי: )נסמן אותו ב BE ( הרכיב האנכי:
כאשר נניח מחט מגנטית )מגנט קטן( במקום כלשהו על פני כדור הארץ, המחט תתייצב לאורך הרכיב האופקי של השדה המגנטי שקיים במקום זה. כיוון המחט יהיה בקירוב מקביל לקו האורך )הקו צפון-דרום(, חוץ מאשר בקרבת הקטבים. בניסוי זה נתייחס רק לרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי. בניסוי נשתמש בעובדה, שאם במקום מסוים קיים שדה מגנטי אופקי נוסף, הרי שמחט המצפן תראה את הכיוון של השדה האופקי השקול. כידוע, במרכזה של כריכה מעגלית דקה, שדרכה זורם זרם, נוצר שדה מגנטי הניצב למישור הכריכה. נסמן שדה זה גודל השדה המגנטי שיוצר הזרם הוא. כאשר: μ0 הוא קבוע הפרמאביליות של הריק וערכו = N מספר הכריכות ן = עוצמת הזרם R = רדיוס הכריכה כיוונו של השדה נקבע על פי כלל יד ימין.
אם נציב מצפן במרכזה של כריכה מעגלית דקה, דרכה זורם זרם, כך שמישור הכריכה יוצב בכיוון צפון-דרום, הרי שעל מחט המצפן יפעלו: הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי BE בכיוון צפון-דרום. השדה המגנטי שיוצר הזרם בכריכה המעגלית, Bi בכיוון ניצב לצפון-דרום. מחט המצפן )המוגבלת לתנועה אופקית בלבד( תתייצב ב"כיוון ביניים" כלשהו בין כיווני השדות, בהתאם לכיוון השדה מגנטי השקול. נסמן שדה שקול זה כ- βt היוצר זווית α עם כיוון הצפון. מתוך האיור ניתן לראות כי את זווית הסטייה α של מחט המצפן ניתן למצוא באמצעות הקשר: בסדרת הניסויים שנבצע, נמדוד את זווית הסטייה של מחט המצפן ביחס לכיוון צפון, כאשר הזרם קבוע ומספר הכריכות משתנה, או לחילופין- כאשר מספר הכריכות N הוא קבוע והזרם משתנה. באמצעות מדידות אלו נוכל למצוא את גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי.BE
שאלה 1 האם הקוטב הצפוני הגיאוגרפי מתלכד עם הקוטב הצפוני המגנטי? הסבירו )תוכלו לקרוא על כך במקורות שונים באינטרנט(. במהלך הניסוי, תבנו את המעגל החשמלי המתואר באיור: שאלה 2 כיצד לדעתכם ישפיע גודלו של המגנט על דיוק המדידה בניסוי? האם הדבר מגדיל או מקטין את שגיאת המדידה? הסבירו. רמז: האם המצפן מושפע רק מהשדה המגנטי שקיים במרכז הכריכה או שהוא מושפע גם מהשדה המגנטי הנמצא במקום אחר?
שאלה 3 נניח שסטיית מחט המצפן באחד משלבי הניסוי הייתה מתקבלת 45. במצב זה, גודל השדה המגנטי שיוצרות כריכות הזרם גדול מ.../קטן מ.../ שווה ל... גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי. שאלה 4 נניח שתלמיד מציב את מישור הכריכות של הגלוונומטר במקביל לכיוון מזרח מערב )במקום צפון-דרום(, כלומר- המערכת מסובבת ב- 90 ביחס למיקום המקורי. הסבירו: כיצד ישפיע מצב זה על סטיית מחט המצפן? כיצד ישפיע החלפת כיוון הזרם בכריכות על סטיית מחט המצפן?
שאלה 5 תלמיד חיבר את המעגל המתואר, וקיבל קריאת זרם שלילית, כמוראה בצילום. הסבירו: מה משמעות הסימן השלילי במד הזרם? רמז: מה היה קורה אילו התלמיד היה מחליף בין החוט האדום לחוט השחור בחיבורים אל מכשיר האמפרמטר? שאלה 6 נניח כי במהלך הניסוי סטתה מחט המצפן, מכיוון צפון אל עבר כיוון מערב. כמתואר בצילום. הסיבה לסטיה של מחט המצפן היא השפעת השדה המגנטי שנוצר כתוצאה מסגירת המעגל החשמלי. מהו כיוון השדה המגנטי שיוצרות כריכות הזרם בצילום המתואר? תארו בעזרת כלל יד ימין, כיצד ניתן למצוא את כיוון הזרם בכריכות.
תשובה:. שאלה 7 התבוננו בצילום שלפניכם. מהו כיוון הזרם בכריכות? )סמנו את האפשרות הנכונה(. מ- 0 ל- a )מדרום לכיוון צפון( מ- 0 ל- b )מצפון לכיוון דרום( ממערב לכיוון דרום. מדרום לכיוון מערב. אי אפשר לדעת שאלה 8 נניח שהיינו מלפפים כריכה אחת או שתים במגמה הפוכה ליתר הכריכות בגלוונומטר. האם הדבר היה משפיע על מהלך הניסוי? תארו כיצד..
שאלה 9 אחת ממטרות הניסוי כפי שהוגדרה בתחילת המשימה היא : חקירת התלות בין עוצמת השדה המגנטי שנוצר במרכז לולאה מעגלית נושאת זרם,לבין עוצמת הזרם הזורם בה. את עוצמת השדה המגנטי שנוצר במרכז הלולאה לא ניתן למדוד באופן ישיר. בניסוי זה אנו מסתמכים על הקשר הישר/ההפוך שקיים בין עוצמת השדה המגנטי / כיוון השדה / המגנטי שנוצר בלולאה, לבין טנגנס זווית הסטייה של מחט המצפן / השדה המגנטי של כדור הארץ זווית הסטייה של מחט המצפן. לאחר מדידת ערכי זרם ומדידת זווית הסטייה של מחט המצפן, העלה תלמיד את הגרף הבא: שאלה 10 א. התלמיד רשם כותרת לגרף ולצירים. האם הכותרות מדויקות? מה היה אמור לכתוב בכותרות?
ב. ציר המספרים של הזרם מכוון שמאלה. האם צורת הגשה זו תיקנית? כתבו כיצד ניתן לשנות את כיוון הציר. ג. בגרף ניתן לראות כי זווית הסטייה המקסימלית של מחט המצפן שמדד התלמיד קטנה מ- 45 מעלות )טנגנס של 45 מעלות שווה ל 1(, למרות שזווית הסטייה יכולה להגיע לסטיות גדולות יותר. האם שיקול הדעת של התלמיד, שלא למדוד את כל תחום המדידה האפשרי, מוצדק? הסבירו. ד. הסבירו, מדוע בניסוי זה מחט המצפן לא תוכל להגיע לזווית סטייה של 90 מעלות? ה. התלמיד צרף לגרף את משוואת קו המגמה של הניסוי, שממנה ניתן לראות כי הקו אינו עובר דרך ראשית הצירים. על פי התיאוריה, היה אמור הקו לעבור דרך ראשית הצירים. הסבירו את הפער בין המציאות לתיאוריה. ו. קוטר הכריכה המעגלית בניסוי של התלמיד היה שווה ל- 18 ס"מ. הסבירו, כיצד ניתן לחשב את גודל הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי מהנתונים וחשבו ערך זה.
שאלה 11 אילו היה התלמיד משתמש בלולאה מעגלית בעלת רדיוס גדול יותר,האם וכיצד היה הדבר משפיע על הגרף שהוא קיבל? שאלה 12 שימו לב: בזמן הרכבת המעגל ובמהלך הניסוי, יש להקפיד על כך שהגלוונומטר עם הלולאה סביבו יימצא הרחק ככל האפשר מרכיבי המעגל האחרים ומעצמים עשויים ברזל. לולאת המכשיר עשויה אלומיניום. חשבו ונסו להסביר, מדוע? חשבו ונסו להסביר, מדוע? שאלה 13 האם נוכל לבצע את אותו הניסוי )למדידת הרכיב האופקי של השדה המגנטי הארצי( באחד מקטבי כדוה"א? נמקו.
שאלה 14 את מערכת הניסוי ניתן באופן תיאורטי לנצל כמכשיר המודד זרם. הסבירו, כיצד ניתן להשתמש במכשיר זה כמודד זרם? מנו לפחות שלושה חסרונות לשימוש במכשיר זה כמכשיר למדידת זרם. שאלה 15 מדוע, לדעתכם, נקרא מכשיר זה )המבוסס על מערכת הניסוי למדידת זרם( בשם " גלוונומטר טנגנטי "?