 |
|
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с одним из основных методов определения напряженности магнитного поля Земли.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
 |
Земля представляет собой шаровой магнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле. Количественной характеристикой магнитного поля, не зависящей от свойств среды, является векторная величина – напряженность магнитного поля.
Рис. 1
Вертикальная плоскость, в которой лежит вектор напряженности 
магнитного поля Земли, называется плоскостью магнитного меридиана. Она не совпадает с плоскостью географического меридиана (рис. 1).
В плоскости геомагнитного меридиана напряженность магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную НГ и вертикальную НВ составляющие. Угол i между направлением и НГ называется магнитным наклонением, а угол a между плоскостями географического и геомагнитного меридианов – магнитным склонением.
В Международной системе единиц СИ единицей напряженности магнитного поля является ампер-на-метр (А/м). Напряженность постоянного поля Земли меняется от 33,4 до 55,7 А/м. Наибольшей величины поле Н достигает вблизи магнитных полюсов (НХ=0), а наименьшего – у экватора (НВ=0).
Так как дипольный магнитный момент Земли образует с ее осью вращения угол 11,50, то магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Происхождение постоянного магнитного поля Земли, составляющего около 99% от полного поля и подверженное очень медленным изменениям, объясняется процессами, протекающими в жидком металлическом ядре Земли. Переменное геомагнитное поле (около 1% от полного) порождается движением заряженных частиц в магнитосфере и ионосфере.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Магнитометр, используемый в данной работе и называемый тангенс-бусссолью, содержит N витков проволоки, последовательно обтекаемых током I, и короткую магнитную стрелку, которую помещают в центре витков.
Известно, что напряженность магнитного поля в вакууме в центре кругового тока I радиусом r равна
.
Направлен вектор напряженности 
перпендикулярно плоскости витка. Так как векторы напряженностей отдельных витков направлены одинаково, то напряженность магнитного поля всех витков определяется как
. (1)
Магнитная стрелка тангенс-буссоли может вращаться только вокруг вертикальной оси. Под действием магнитного поля Земли стрелка занимает положение устойчивого равновесия, располагаясь в плоскости геомагнитного меридиана (рис. 2). Если в этой же плоскости расположить витки проволоки тангенс-буссоли и включить ток, протекающий через витки, то появится магнитное поле тока, направление напряженности 
которого окажется перпендикулярным направлению вектора 
. В соответствии с принципом суперпозиции напряженность полного магнитного поля равна
.
Магнитная стрелка станет занимать новое положение равновесия, в котором её направление совпадает с направле-нием 
. Поворот магнитной стрелки на угол b (рис. 2) определим из соотношения
. (2)
Рис. 2
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рис. 3, состоит из тангенс-буссоли ТБ, миллиамперметра мА, переключателя S, реостата RОГР, потенциометра R, подключенного к источнику постоянного тока ИП.
Сила тока в витках буссоли измеряется миллиамперметром мА. Зная силу тока, по формуле (1) можно определить напряженность магнитного поля НБ. Сила тока в тангенс-буссоли изменяется с помощью потенциометра R.
При изменении силы тока происходит изменение магнитного поля НБ, а следовательно, и угла поворота стрелки b. Используя формулу (2), находим величину гори-зонтальной составляющей магнитного поля Земли. Реостат ROГР служит для ограничения тока в элек-трической цепи с целью защиты.
Рис. 3
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Соберите экспериментальную установку с учетом схемы на рис. 3. Тангенс-буссоль следует поместить возможно дальше от железных предметов и конструкций.
2. Расположите плоскость витков тангенс-буссоли параллельно направлению магнитной стрелки.
3. Установите ручку потенциометра R в крайнее положение, вращая ее против часовой стрелки.
4. Включите источник тока.
5. При крайнем левом положении переключателя S поверните ручку регулировки R так, чтобы в цепи тангенс-буссоли протекал ток силой I1=20 мА. Измерить при этом значение угла b¢ , на который повернется магнитная стрелка.
6. Переводом переключателя S в крайнее правое положение изменить направление тока в цепи и установив то же значение тока 20 мА, измерить отклонение стрелки в другую сторону b¢¢. Найти среднее значение угла
.
7. Провести измерения углов b¢ и b¢¢ для других значений тока Ii : 40, 60, 80, 100 мА. Результаты занести в таблицу.
Таблица
 |
Сила Угол отклонен.
№№ тока,
мА HБ tgb tg2b НГtgb
b¢ b¢¢ <b>
1 20
2 40
… …..
8. Измерив радиус витков буссоли по формуле (1), вычислить напряженность магнитного поля НБ.
9. Полученные результаты позволяют по формуле (2) определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли НГ. Для этого построить на диаграмме tgb – НБ экспериментальную зависимость. Через полученные точки провести прямую, тангенс угла наклона которой будет равен горизонтальной составляющей НГ.
10. Оценить погрешности метода измерений по приближенной формуле
,
где DНБ и Db – абсолютные погрешности при измерении магнитного поля буссоли и угла отклонения магнитной стрелки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что является источником магнитного поля?
2. Что является источником магнитного поля Земли?
3. Какими характеристиками описываются магнитные поля?
4. Изобразить силовые магнитные линии для прямого проводника с током и для катушки.
5. Что такое магнитный полюс Земли? Нарисовать силовые магнитные линии Земли. Отличается ли магнитный полюс Земли от географического?
6. Указать связь между напряженностью и индукцией магнитного поля.
7. Какие значения может принимать напряженность магнитного поля Земли?
8. Что такое магнитные наклонение и склонение?
9. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа.
10. В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?
11. Что такое постоянный магнит?
12. Объясните понятие «полюса магнита». Как различить «северный» и «южный» полюса магнита? Может ли быть магнит однополюсным?
13. Как поведет себя магнитная стрелка компаса на одном из магнитных полюсов Земли?
14. Как определить вращающий момент, действующий на стрелку?
15. Объясните вывод расчетной формулы.
16. Опишите принцип действия данной установки.
17. Опишите устройство тангенс-буссоли в установке.
18. Что представляет собой магнитная стрелка компаса?
19. Как влияет сила тока в катушке буссоли на поворот магнитной стрелки?
20. Каких размеров должна быть магнитная стрелка и в каком месте катушки она должна быть расположена?
21. Из какого материала должна быть изготовлена магнитная стрелка?
22. Как нужно соориентировать магнитную стрелку в катушке до включения тока?
23. Какое направление будет показывать магнитная стрелка, если от нее отрезать ровно половину?
24. Может ли магнитная стрелка при включении тока повернуться на 900, на 1800 ?
25. От чего зависит величина и направление магнитного поля в катушке?
26. Каким должен быть ток в катушке: постоянным или переменным?
27. Для чего в эксперименте меняют направление тока в катушке?
28. Как уменьшить систематическую погрешность измерений?
29. Оцените точность измерений магнитного поля Земли.
30. Придумайте еще какой-нибудь метод для определения магнитного поля Земли.