Лабораторная работа №10 Измерение составляющих магнитного поля земли

Цель работы: Исследовать параметры магнитного поля Земли. Определить горизонтальную и вертикальную составляющие вектора индукции магнитного поля Земли на широте 51^o.

Сведения из теории

Нашу планету можно рассматривать как своеобразный магнитный диполь. Координаты магнитных полюсов: северного (в Южном полушарии) – 78^o ю.ш. и 111^o в.д. и южного (в Северном полушарии) – 78^o с.ш. и 69^o з.д. Магнитная ось наклонена относительно географической оси на 11.6^o и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Центр магнитного диполя и центр Земли смещены примерно на 430 км. Магнитные полюса и ось со временем изменяют свое положение. Инверсия магнитного поля происходит каждые 11.5-12.2 тыс. лет.

Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие. Компоненты магнитного поля земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах: полный вектор индукции магнитного поля В_o – от 62 до 73 мкТл, горизонтальная составляющая В_г – от 0 до 41 мкТл. Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации (в настоящее время уменьшается примерно на 1% за каждые 10 лет).

В действительности поле Земли имеет сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара, – добавляются поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий верхней части земной коры (в районе Курской магнитной аномалии поле В_o достигает 200 мкТл), внеземные магнитные поля. На постоянное поле В_o накладываются также более слабые (< 0,02 В_o) переменные поля различной природы.

Разработанной количественной теории геомагнитного поля в настоящее время не существует. В 20 веке была предложена гипотеза «динамоэффекта», раскрывающая механизм возникновения магнитного поля Земли. Предполагается, что железоникелевое ядро с высокой скоростью вращается в слое раскаленной магмы. Ядро представляет собой сферу диаметром 6900 км (1/3 массы земли). Вращение расплавленного никелевого железа способствует возникновению эффекта электрического тока, текущего по кругу. Благодаря наличию железоникелевого ядра в планете словно имеется брусок магнита, который располагается по вертикали «север-юг». Магнитные полюса – это часть геомагнитного поля нашей планеты. Суммарное магнитное поле, которое существует непосредственно на земной поверхности, формируется за счет токов, пересекающих ее, а также внешних, космических источников и магнитного поля, вызванного движением внутреннего ядра

Простейшие опыты с магнитной стрелкой говорят о существовании магнитного поля вокруг Земли, которое в данной точке поверхности можно считать однородным. Однако при переходе из одного пункта в другой магнитная стрелка может менять свое направление, т.е. по отношению ко всей поверхности магнитное поле Земли не является однородным.

Земля представляет собой гигантский магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов. Магнитное поле Земли примерно совпадает с магнитным полем диполя АВ, помещенного в центре планеты. Расчеты показывают, что магнитный момент Земли равен магнитному моменту ферромагнитного стержня длиной 4000 км и диаметром 200 км, намагниченного до насыщения вдоль оси.

Характеристикой магнитного поля Земли служит вектор магнитной индукции В. Для разложения вектора на составляющие обычно применяют прямоугольную систему координат ХYZ, в которой ось Х ориентируют по направлению географического меридиана, ось У – по направлению параллели. Положительным направлением оси Х считается направление к северу, а оси У – к востоку. Тогда третья ось Z примет вертикальное направление и за положительное направление принимают направление сверху вниз. Поместим начало координат в точку, где производится наблюдение магнитного поля Земли. Тогда вектор займет в этой системе положение, указанное на рис. 10.1. Составляющие вектора В по осям XYZ, равны соответственно В_х, В_у, В_z. Вектор B_г = В_х + В_у называют горизонтальной составляющей, а В_в = В_z – вертикальной составляющей вектора магнитного поля Земли. Плоскость, в которой лежат вектора В_z и В_в, называют плоскостью магнитного меридиана.

Рис. 10.1

Угол γ между векторами В_г и В называют углом магнитного наклонения. Угол β между векторами В_в и В называют углом магнитного склонения.

Элементами земного магнетизма являются: горизонтальная В_г и вертикальная В_в составляющие вектора индукции В, углы склонения β и наклонения γ.

Индукция магнитного поля Земли невелика, по абсолютной величине составляет 5-6·10^-5 Тл. Исключения составляют поля в районах магнитных аномалий, где индукция может достигать величин порядка 10^-4 Тл.

Для измерения горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли используют тангенс-гальванометр (Т-Г). Тангенс-гальванометр – прибор, состоящий из катушки большого диаметра, в центре которой расположена магнитная стрелка (буссоль), способная поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Рис. 10.2

На рис. 10.2 показаны общий вид прибора и электрическая схема для проведения измерений. Концы катушки Т-Г выведены к клеммам, П – переключатель, К – ключ, источник питания ВС- 24.

Расположим плоскость витков катушки в плоскости магнитного меридиана. Если по катушке радиуса R, состоящей из N витков пропустить ток I, то индукцию магнитного поля в центре круга, где расположена магнитная стрелка, можно определить по формуле

, (10.1)

где _о – магнитная постоянная.

Если размеры катушки гораздо больше размеров стрелки, то можно считать, что стрелка находится в однородном магнитном поле. Под действием поля катушки и горизонтальной составляющей поля Земли стрелка займет положение, совпадающее с направлением результирующего магнитного поля (рис. 10.3).

Рис. 10.3

Угол  тем больше, чем больше величина тока. На рис. 10.3 видно, что

. (10.2)

Из уравнений (10.1) и (10.2) можно определить горизонтальную составляющую вектора индукции магнитного поля Земли

. (10.3)