Физика-на май 2014-часть 2-бакалавр / Материалы комплекса / Лабораторные работы / Лаб. работы, 2 часть / 3-ЭМ

6 Электромагнетизм

РАЗДЕЛ 5. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Лабораторная работа № Э-08 (3-ЭМ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: изучить тангенс-гальванометр. Определить горизонтальную составляющую напряжённости магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр (ТГ), миллиамперметр, реостат, источник постоянного тока.

1.1. Указания по организации самостоятельной работы

I. Изучить теоретический материал по лекциям и учебнику I, §110-113].

II. Подготовить конспект лабораторной работы [2].

III. Подготовить ответы на вопросы к допуску (1-5)-й; к защите (6-I0)-й лабораторной работы:

1. Определите элементы земного магнетизма.

2. Объяснить устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.

3. Почему следует ориентировать катушку тангенс-гальванометра в направлении магнитного меридиана?

4. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле?

5. Изложите методику эксперимента и последовательность выполнения лабораторной работы.

6. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определить направление вектора ?

7. Чему равна напряжённость магнитного поля в центре кругового тока?

8. Выведите расчётную формулу (1.4).

9. Почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения β=45^°?

10. Для чего измеряют углы отклонения стрелки при различных направлениях тока?

1.2. Теория метода и описание установки

Элементы земного магнетизма. Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности обнаруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создаётся магнитное поле силовые линии которого изображены на рис. 1.1. Северный магнитный полюс N находится на южном географическом полюсе и наоборот.

Существование магнитного поля любой точки Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити L (рис. 1.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии южный конец будет наклонён к Земле, и стрелка составит с горизонтом угол наклонения (на магнитном экваторе наклонение равно 0). Вертикальная плоскость, в которой располагается стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюсы не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклоняться от географического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан) с географическим меридианом, называется магнитным склонением (рис. 1.2). Вектор Н полной напряжённости магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную Н₀ и вертикальную Н_z (рис. 1.3). Значение углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей Н₀ даст возможность определить величину и направление полной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая Н₀, магнитное склонение и наклонение называются элементами земного магнетизма.

Тангенс-гальванометр. Рассмотрим круговой проводник из n витков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, вращающуюся вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток J, то возникает магнитное поле с напряжённостью Н, направленное перпендикулярно к плоскости катушки. Таким образом, на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Напряжённости обоих полей взаимно перпендикулярны. На рис. 1.4 изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью. Здесь Н – вектор напряжённости поля, созданного круговым током, Н₀ – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установится по направлению равнодействующей H_I, т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут вектор напряжённости магнитного поля кругового тока Н и Н₀.

Рассматривая рис. 1.4, получим

(1.1)

С другой стороны, напряжённость магнитного поля в центре катушки тангенс-гальванометра равна:

(1.2)

Тогда

(1.3)

откуда

(1.4)

Для данного места Земли и для данного прибора величина

(1.5)

является постоянной и называется постоянной тангенс-гальванометра.

Тогда

(1.6)

Формулу (1.5) можно переписать в виде:

(1.7)

Отсюда следует, что постоянная С численно равна тому току, который протекает по виткам, когдa угол отклонения стрелки равен 45°.

Таким образом, круговой проводник с магнитной стрелкой в центре может быть использован для измерения Н₀. Для этого должно выполняться следующее условие: магнитную стрелку следует брать очень малых размеров по сравнению с радиусами витков, т.к. формула (1.4) пригодна только для точки, находящейся в центре окружности.

Прибор, основанный на вышеописанном принципе, носит название тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр, используемый в данной задаче, состоит из катушки, укреплённой на подставке. В центре катушки укреплена на вертикальной оси магнитная стрелка с лимбом.

1.3. Порядок выполнения работы

1. Собрать установку по схеме (рис. 1.5) и, не включая тока, повернуть подставку тангенс-гальванометра так, чтобы витки его катушки оказались в плоскости магнитного меридиана.

2. Включить установку и установить реостатом ток J, подбирая определённый угол отклонения стрелки (в пределах 35-55°). Дождавшись, когда стрелка придёт в равновесие, отсчитать угол отклонения её от плоскости рамки . Данные значений J и занести в табл. 1.1.

3. Не изменяя ток по величине, изменить его направление переключателем П, измерить и записать в таблицу значение угла .

4. Проверить нулевую установку прибора и повторить измерения при том же токе ещё два раза.

Вычислить среднее арифметическое значение угла <> при заданном токе J (из шести измерений):

5. Аналогично проделать несколько опытов при различных токах, беря углы отклонения стрелки в тех же пределах (35-55°); результаты занести в табл. 1.1

Таблица 1.1

Номер опыта	J	Номер измерений
		1
		2
		3

6. Для каждого опыта по формуле (1.4) вычислить H₀. Рассчитать среднее значение <Н₀>.

7. По формуле [3]

определить абсолютную погрешность измерения H₀. Показать, почему погрешности измерений минимальны, когда β=45^°.

8. Измеренные и расчётные данные занести в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Номер опыта	J	n	r		<>		=<>
1
2
3

К началу

На следующую страницу

К оглавлению

К титулу