Лабораторная работа №16 определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли

Цель работы: ознакомление с методами измерения индукции магнитных полей на основе принципа наложения. Измерение горизонтальной составляющей индукции земного магнитного поля.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат 500 Ом, выпрямитель на 12 В, двухполюсный переключатель, ключ, соединительные провода.

Введение

Известно, что вокруг проводников с током возникает магнитное поле, как это показано на рисунке 1.

Определить величину этого магнитного поя можно, использовав закон Био-Савара-Лапласа

где dB — вектор магнитной индукции поля, создаваемого элементом длины проводника dl в точке на расстоянии r от этого элемента; I — сила тока в проводнике;

k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц и среды, в которой находится проводник.

В скалярном виде, с учетом значения коэффициента пропорциональности в системе СИ получаем:

где  — относительная магнитная проницаемость среды, в которой находится проводник;

₀ = 4 · 10^-7 Гн/ м — магнитная постоянная.

Рисунок 1 Рисунок 2

Используя закон Био-Савара-Лапласа, можно вычислить индукцию полей проводников с током в независимости от их формы, размеров и положения точки, в которой вычисляют индукцию.

Во многих случаях возникает необходимость в измерении индукции магнитных полей, когда неизвестны токи, создающие эти поля. Таким полем в частности, является магнитное поле Земли.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. в пространстве вокруг Земли существует магнитное поле. Северный магнитный полюс имеет координаты 74 южной широты и 155 восточной долготы (по Гринвичу), южный — 74 30  северной широты и 95 30  западной долготы. Положение магнитных полюсов Земли со временем изменяется. Существование магнитного поля Земли обнаруживается с помощью магнитной стрелки.

Если подвесить магнитную стрелку NS на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с ее центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Ось стрелки в данном месте Земли образует с горизонтом угол , называемый магнитным наклонением (рисунок 2). Для Москвы угол магнитного наклонения равен 70.

Вектор В полной магнитной индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную B₀ и вертикальную В_z. Если определить одну из составляющих, зная угол магнитного наклонения, можно определить и полную индукцию магнитного поля Земли.

Пусть имеется круговая катушка из n витков, расположенных в плоскости магнитного меридиана. В центре катушки помещена магнитная стрелка, которая легко поворачивается вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток, то в центре катушки возникает магнитное поле с индукцией В. В результате на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поя, как показано на рисунке .3  магнитное поле Земли (точнее его горизонтальная составляющая) и магнитное поле катушки с током. Магнитная стрелка устанавливается вдоль B₁, т.е. по диагонали параллелограмма со сторонами В₀ и В. Из рисунка 3

B = В₀ tg, (0)

Рисунок 3

Так как индукция магнитного поля в центре катушки

В = ₀ (nI / 2r) , (0)

то В₀ = (₀ nI / 2r)  ( 1 / tg) = С (1 / tg), (0)

где С = ₀ (n / 2r)  постоянная для данной катушки величина.

Следовательно. круговая катушка с магнитной стрелкой, помещенной в ее центре, может служить для измерения магнитного поля, в которое она помещена, или для измерения силы тока, текущего по виткам катушки, если индукция магнитного поля известна.

При этом магнитную стрелку нужно брать малых размеров по сравнению с радиусом витков катушки, так как формула (2) применима лишь для точки, находящейся в центре катушки. Прибор работа которого основана на этом принципе, называют тангенс-гальванометром.

Описание лабораторной установки

Электр. схема лабораторной установки дана на рисунке 4.

На схеме: ВС-12 - выпрямитель на 12 В для питания катушки тангенс-гальванометра ТГ, К - двойной переключатель для изменения направления тока в катушке ТГ, R - реостат для регулирования величины тока в катушке ТГ, А - многопредельный миллиамперметр (на 50 -100 - 200 мА) для измерения силы тока в цепи.

Общий вид применяемого в работе тангенс -гальванометра показан на рисунке 5.

Рисунок 4 Рисунок 5

Прибор состоит из кольцевой катушки 1, установленной на основание 2. Клеммы 3, помещенные на основании, служат для подключения к катушке источника тока. К основанию 2 крепится стержень 4, на котором установлена магнитная стрелка с отсчетной шкалой, расположенной горизонтально. Стрелка и шкала помещены в корпусе 5, защищающем их от механических повреждений. Вся система с магнитной стрелкой может поворачиваться вокруг вертикальной оси закрепляется в нужном положении. Она расположена так, что острие, на котором находится магнитная стрелка, совпадает с центром катушки.