 |
|
Основні теоретичні відомості
ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ НАПРУЖЕНОСТІ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ
Мета роботи− ознайомитись із основними величинами, що характеризують магнітне поле Землі, і навчитись експериментально визначати горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.
Основні теоретичні відомості
Землю можна розглядати як величезний магніт. Магнітна cтрілка у магнітному полі Землі встановлюється в напрямку вектора магнітної індукції 
(напруженості 
) поля. Величини і є силовими характеристиками магнітного поля, яке, як відомо, здатне діяти на рухомі електричні заряди, провідники зі струмом та магнітну стрілку. Стрілка, що може вільно обертатись у просторі, розташується у вертикальній площині, яка утворює деякий кут 
із площиною географічного меридіана в місці спостереження. Цей кут називається кутом магнітного схилення. Також користуються так званим кутом магнітного нахилу, тобто кутом між віссю магнітної стрілки та певною горизонтальною лінією (“горизонтом”).
Кут магнітного схилення не дорівнює нулю, оскільки магнітні полюси Землі не збігаються з географічними полюсами. Крім того, як показують сучасні дослідження, магнітні полюси Землі з часом змінюють своє положення. Південний магнітний полюс Sм Землі розташований у північній півкулі (на північ від Гренландії), а північний магнітний полюс Nм – у південній півкулі (на південь від Австралії, в Антарктиді).
Лінії напруженості магнітного поля Землі зображені на рис.1 (N і S – географічні, Nм і Sм – магнітні полюси). У районі екватора лінії напруженості спрямовані горизонтально, в районі магнітних полюсів – вертикально, в інших місцях – під деяким кутом до горизонтальної площини. Напруженість магнітного поля Землі незначна: від 27 А/м – на екваторі до 51 А/м – поблизу полюсів.
Розкладемо вектор напруженості магнітного поля Землі на дві складові – горизонтальну 
і вертикальну 
. Якщо будуть відомі горизонтальна складова і кут магнітного нахилу b, можна визначити повну напруженість магнітного поля Землі
. (1)
Величини Нг, b, , які характеризують магнітне поле в даній точці поверхні Землі, називаються елементами земного поля в даному місці. Вони постійно, хоча дуже повільно і слабко, змінюються з часом.
Для вимірювання горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі можна використати тангенс-гальванометр, який складається із плоскої (короткої) котушки, в центрі якої розміщено компас.
Якщо магнітна стрілка розташована в магнітному полі Землі, на її північний і південний полюси діятиме відповідно пара сил, пропорційних напруженості магнітного поля в даній точці Землі,
F1,2 = kH, (2)
де k – стала величина, що залежить від властивостей стрілки.
При розімкнутому колі на стрілку компаса діє тільки магнітне поле Землі; вона розміститься так, що її вісь збігатиметься з напрямком горизонтальної складової , тобто північний полюс стрілки показуватиме на північ.
При замиканні кола в котушці проходить струм, і на стрілку компаса, крім магнітного поля Землі, діятиме поле котушки в напрямку, перпендикулярному до її площини. Напруженість магнітного поля в центрі котушки (з N витками) можна обчислити за законом Біо−Савара−Лапласа. Результат буде такий:
, (3)
де I – сила струму; R – радіус котушки.
Під дією двох полів стрілка відхилиться від початкового положення на деякий кут, величина якого залежить від сили струму і кута між площинами витків котушки і магнітного меридіана. Для спрощення обчислень площину котушки тангенс-гальванометра зручно сумістити з площиною магнітного меридіана, коли струм не ввімкнуто, тобто площину котушки повернути так, щоб в ній розмістилася магнітна стрілка компаса.
Магнітне поле струму котушки діє на північний і південний полюси стрілки з силами
. (4)
Ці сили перпендикулярні до площини котушки. Пара сил 
, 
буде відхиляти стрілку від початкового положення із площини магнітного меридіана. Коли рівнодіючі сили 
, 
і 
, 
(рис.2) пройдуть через точку О (центр стрілки), настане рівновага.
Із рис.2 видно, що
. (5)
Підставивши у формулу (5) значення сил 
і , одержимо
.
Із останнього співвідношення випливає робоча формула для обчислення значення 
:
. (6)
Отже, за значеннями сили струму і кута відхилення стрілки компаса тангенс-гальванометра можна визначати горизонтальну складову магнітного поля Землі.
Хід роботи
Прилади і обладнання: тангенс-гальванометр, джерело постійного струму, реостат, амперметр, таблиця значень тригонометричних функцій.
Скласти електричне коло.
При розімкнутому колі гальванометра розмістити площину котушки в площині магнітного меридіана, тобто так, щоб стрілка розмістилася у площині котушки.
Ключом замкнути електричне коло. Реостатом виставити певне значення струму і виміряти відповідний кут відхилення стрілки φ. Повторити вимірювання кута відхилення стрілки ще при чотирьох значеннях сили струму.
За формулою (6) обчислити значення горизонтальної складової магнітного поля Землі.
Результати вимірювань для кожного струму і розрахунків занести в таблицю.
Провести статистичне опрацювання результатів вимірювань.
Результати вимірювання та обчислень горизонтальної складової магнітного поля Землі записати у вигляді таблиці. 
| Номер досліду | Сила струму, А | Кут відхилення магнітної стрілки | ,
А/м
| Нгс, А/м |  ,
А/м
|
У таблиці Нгс означає середнє значення величини , а − довірчий інтервал [3].
Контрольні запитання
Назвіть основні параметри (елементи) магнітного поля Землі.
Де розташовані північний і південний магнітні полюси Землі?
Поясніть будову і принцип дії тангенс-гальванометра.
Запишіть і поясніть закон Біо−Савара−Лапласа.
Чому дорівнює напруженість магнітного поля в центрі контура із струмом?
Які сили діють на стрілку компаса до і після вмикання струму в соленоїді?
Література:[1, с. 330–336; 2, с. 199–213; 4, с. 3–18].
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № ЕМ 2