Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля земли

Цель работы: экспериментальное определение горизонтальной составляющей напряженности геомагнитного поля на широте г. Уральска.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат, источник постоянного тока, переключатель.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Земля представляет собой огромный магнит, полюса которого не совпадают с географическими полюсами. В первом приближении можно считать, что магнитное поле Земли совпадает с магнитным полем диполя (ав) (рис.1), помещенного в центре Земли. Магнитная ось Земли пересекается в её центре с осью вращения под углом около 11,5^○.Вблизи северного географического полюса (С) расположен южный магнитный полюс (S), вблизи южного географического полюса (Ю) – северный магнитный (N). Дипольный момент Земли равен , напряжённость геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов ( ) к магнитному экватору ( ). Геомагнитное поле испытывает как быстрые (кратковременные) изменения, так и медленные вариации с периодом от нескольких сотен тысяч до десятков миллионов лет. При этом происходят смены его полярности (переполюсовки). Видимо, магнитное поле Земли обусловлено в основном токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, и отчасти намагничиванием горных пород и токами в радиационных поясах.

М агнитное поле Земли на экваторе (точка В) направлено горизонтально, а у магнитных полюсов (точка А) – вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле Земли направлено под углом к горизонту (точка К). Проекцию напряженности земного магнитного поля Н на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Н_З. Направление этой составляющей принимается за направление магнитного меридиана, а вертикальная плоскость, проходящая через него, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол  между направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью называют углом наклонения, а угол  между географическим и магнитным меридианами – углом склонения.

Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь только около вертикальной оси, будет отклоняться в горизонтальной плоскости только под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Н_З. Это свойство магнитной стрелки используется в тангенс – гальванометре для определения Н_З. Тангенс- гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R с некоторым числом витков N. В центре катушки в горизонтальной плоскости расположен компас. В отсутствие тока в катушке магнитная стрелка компаса будет расположена вдоль магнитного меридиана Земли NS.

Поворотом катушки около вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана. Если после такой установки по ней пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некоторый угол . Объясняется это действием на магнитную стрелку вращающих моментов: 1) горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Н_З, 2) магнитного поля катушки с током Н₁ (рис 2).

Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и магнитного поля катушки будет совпадать с осью стрелки. На рис.2 NS – направление магнитного меридиана Земли, А и В – горизонтальные сечения витков катушки. N₁S₁ – магнитная стрелка компаса, помещенная в центре катушки, Н_З – горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли, Н₁ – вектор напряженности магнитного поля катушки с током, направленный перпендикулярно к плоскости витков.

Из рис. 2 видно, что и, следовательно,

(1)

Величина напряженности поля Н₁ в центре кругового тока (витка с током) определяется выражением

где I – сила тока, текущего в витке, R – радиус витка (катушки) с током.

Напряженность магнитного поля в центре плоской катушки с количеством витков N определяется выражением

(2)

Из формул (1) и (3) получим

(3)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1 . Собрать электрическую цепь из тангенс – гальванометра (G), амперметра (А), реостата (R), переключателя и источника тока () (рис 3).

2. Поворачивая тангенс – гальванометр (за основание) установить плоскость катушки тангенс – гальванометра в плоскости магнитного меридиана, а затем, вращая только компас (за корпус) установить его так, чтобы концы стрелки компаса указывали на 0 градусов.

3. Установив движок реостата в среднее положение, включить источник постоянного тока.

4. Устанавливая с помощью ползунка реостата заданные преподавателем значения силы тока (в пределах 0,30 ÷ 0,90 А) и дожидаясь успокоения стрелки компаса, внести в табл. 1 семь значений силы тока и соответствующие значения углов отклонения стрелки компаса при прямом ( ) и обратном ( ) направлениях тока (При расчётах в формулу (3) вместо следует подставлять ). Изменение направления тока в катушке производится с помощью переключателя.