2.2. Магнитные измерения

Работа № Ф304

Магнитное поле земли

Целью работы является измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли тангенс-буссолью.

1. Структура магнитного поля земли

Земной шар представляет собою естественный магнит, природа которого пока не ясна. Результаты многочисленных измерений дают основание изображать магнитное поле Земли в первом приближении как поле прямого магнита. Ось этого условного магнита слегка наклонена к оси суточного вращения Земли, т.е. магнитные полюса не совпадают с географическими, причём вблизи северного географического полюса (С) расположен южный м агнитный полюс (S) и наоборот (рис. 1).

В

В

области магнитных полюсов линии магнитного поля В перпендикулярны к поверхности Земли, а в области магнитного экватора – параллельны. В средних магнитных широтах линии поля В направлены под углом к поверхности Земли. Вектор В у поверхности Земли при этом можно разложить на две составляющие – вертикальную В_в и горизонтальную В_г (рис. 2). Направление горизонтальной составляющей В_г принимается за направление магнитного меридиана. Угол γ между направлением В и горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением, а угол β между географическим и магнитным меридианами ( рис. 3) − магнитным склонением. Углы γ и β в данной точке Земли зависят как от широты, так и от долготы этой точки. Магнитная стрелка компаса, вращающаяся вокруг вертикальной оси, отклоняется только под действием горизонтальной составляющей магнитного поля В.

2. Установка и метод

Д ля измерения величины В_г используется прибор, называемый тангенс-буссолью, который состоит из кольцевой катушки большого радиуса с несколькими витками провода. Ось катушки расположена горизонтально и, поворачивая катушку на столе, её ось можно ориентировать на любую точку горизонта. В центре катушки укреплён компас специальной конструкции – буссоль, позволяющий производить отсчёт азимута по шкале с точностью до 1°. Катушка подключается к генератору постоянного напряжения Г через миллиамперметр мА (рис. 4). Величина тока регулируется ручкой на передней панели генератора.

При отсутствии тока в катушке на стрелку компаса действует только магнитное поле Земли, и стрелка устанавливается вдоль магнитного меридиана. Поворотом всей тангенс-буссоли плоскость витков совмещается с плоскостью магнитного меридиана, т.е. витки устанавливаются строго параллельно стрелке. Если после этого по катушке пропустить ток, то стрелка повернётся на некоторый угол α и установится вдоль векторной суммы поля катушки В_к и горизонтальной составляющей В_г магнитного поля Земли (рис. 5).

И з закона Био-Савара следует, что ток в кольцевых витках катушки создаёт в её центре магнитное поле

В_к=μ₀ , (1)

где i – ток в катушке,

N – число витков,

R – радиус катушки

(N и R указаны на катушке),

μ₀=4π·10⁻⁷ Гн/м –

магнитная постоянная.

При совмещении плоскостей катушки и магнитного меридиана имеем:

В_к = В_г tg α.

(см. рис. 5). Подставляя это в (1), получаем для горизонтальной составляющей магнитного поля Земли:

В_г= . (2)