Jelenség leírása
Két rúdmágnes közül az egyiket rögzítjük, a másikat pedig engedjük szabadon forogni a középpontján átmenõ függõleges tengely körül. Tanulmányozzuk a mágnesre ható forgatónyomatékot az elfordulási szög és a mágnesek l távolságának függvényében!
Eszközök
mágnesek, szögmérő, vonalzó
Magyarázat
M. 158. Két rúdmágnes közül az egyiket rögzítjük, a másikat pedig engedjük szabadon forogni a középpontján átmenõ függõleges tengely körül. Tanulmányozzuk a mágnesre ható forgatónyomatékot az elfordulási szög (0<
<180o) és a mágnesek l távolságának függvényében!
Megoldás. A mérés során a legnagyobb nehézséget a forgó mágnesrúd felfüggesztésének megoldása és a forgatónyomaték pontos mérése okozza. A legcélszerûbb a mágnesrudat az ábrán látható módon egy függõlegesen kifeszített torziós szálra erõsíteni. Ez a megoldás igen érzékeny forgatónyomaték-mérést tesz lehetõvé, és biztosítja, hogy a mágnesrúd csak a szál másik tengelye mentén fordulhasson el. A szál egyik vége legyen rögzített, a szál másik végére pedig szereljünk egy szögbeosztással ellátott forgatható tárcsát. E tárcsát adott szöggel elfordítva a mágnesrúdra (amennyiben a helyzete eközben nem változik) a szögelfordulással egyenesen arányos forgatónyomatékot fejthetünk ki. Az arányossági tényezõt közvetlenül megmérhetjük vagy kiszámolhatjuk a rúdmágnes tehetetlenségi nyomatékának és a torziós rezgések periódusidejének ismeretében, de használhatjuk egyszerûen a torziós szál szögelfordulását mint önkényes forgatónyomaték-egységet.
A másik, nem forgó mágnesrudat erõsítsük egy mozgatható állványra, a forgó mágnessel azonos magasságban. A két mágnes középpontjának távolságát jelölje l, a forgómágnes szögelfordulását pedig . Adott l,
értékek mellett a forgatónyomaték mérésének menete a következõ:
- A forgó tárcsa segítségével állítsuk be a forgó mágnesrúd szögû helyzetét.
- Helyezzük el az állványon lévõ mágnesrudat a másik mágnestõl l távolságra. (Eközben persze a torziós szálon lévõ mágnes kicsit elfordul.)
- A torziós szálon lévõ tárcsa segítségével állítsuk vissza a forgó mágnest az szögû helyzetbe. Ehhez a visszaállításhoz szükséges szögelfordulás jellemzi a mágnesre ható M forgatónyomatékot.
Liptai Bernadett (Kazincbarcika, Ságvári E. Gimn., 8. o.t.) ezzel a módszerrel mérte meg különbözõ l és értékek mellett az M forgatónyomatékot. (Minden esetben három független mérést átlagolt.) Az 1. grafikonon rögzített
érték mellett ábrázolta a forgatónyomaték távolságfüggését, a 2. grafikonon pedig néhány rögzített távolság esetén láthatjuk a forgatónyomaték szögfüggését. (Általános tapasztalat, hogy rögzített l távolság mellett
M() = -M(-
) = +M(180o-
),
így a mérést elegendõ a 0o90o tartományban végezni.) Ideális, pontszerû dipólusokra megmutatható, hogy rögzített
esetén M
1/l3, míg rögzített l esetén M
sin
. Látható, hogy az 1. és 2. grafikonon ábrázolt mérési eredmények jó összhangban vannak a pontszerû dipólusokra vonatkozó elméleti összefüggésekkel.
1. grafikon
2. grafikon