2.2 Магнитное поле кругового тока

Для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли используется прибор, называемый тангенс гальванометром, основным элементом которого является круговой виток с током, расположенный в вертикальной плоскости. В центральной части кольца в горизонтальной плоскости помещается магнитная стрелка с лимбом (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1

Величину и направление вектора индукции в центре кругового витка с током можно определить, используя закон Био-Савара-Лапласа, математическое уравнение которого имеет вид:

или в скалярной форме:

где – магнитная постоянная;

I – сила тока в проводнике;

– вектор, совпадающий с направлением тока и равный по величине длине участка проводника;

– радиус-вектор, проведенный от элемента тока в точку, где определяется индукция поля ;

– угол между векторами и .

Закон Био-Савара-Лапласа выражает вклад в магнитное поле от отдельного малого участкаdlпроводника с током. Вектор в точке наблюдения перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора и , а его направление определяется правилом векторного произведения векторов: если вращать правый винт от первого вектора ко второму , то движение винта укажет направление векторного произведения[·].

Вектор магнитной индукции в центре витка с током будет определяться, в соответствии с принципом суперпозиции, векторной суммой полей создаваемых каждым элементом тока (рисунок 2.2):

Поскольку все вектора от каждого участка направлены одинаково – перпендикулярно плоскости витка (за чертеж), то результирующий вектор будет иметь то же направление. Его величину можно найти, вычислив сумму:

Учитывая, что

окончательно получим

В тангенс гальванометре поле создается катушкой из n витков, поэтому индукция в центре кольца определяется следующим образом :

2.3 Метод определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс гальванометра основано на сравнении величины с индукцией магнитного поля тангенс гальванометра в центре катушки. Действительно, при отсутствии тока в обмотке тангенс гальванометра магнитная стрелка под действием горизонтальной составляющей устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если совместить с этой же плоскостью плоскость кольца тангенс гальванометра, то при отсутствии тока по виткам прибора создается магнитное поле, вектор индукции которого в центре кольца будет перпендикулярен вектору (рисунок 2.3).

При этом магнитная стрелка тангенс гальванометра повернется на угол и расположится вдоль результирующего вектора

Рисунок 2.3

Из рисунка 2.3 следует, что

Таким образом, зная угол отклонения магнитной стрелки и величину индукции магнитного поля, создаваемого витками тангенс гальванометра, можно вычислить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли:

или, принимая во внимание (2.7)

где

называется постоянной тангенс гальванометра.

3 Описание установки и методики измерений

Экспериментальная установка представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1

Экспериментальная установка состоит из вертикально расположенного кольца из немагнитного материала, радиусом R=9,5 см, на которое намотано несколько витков проволоки, образующих две катушки .

В ходе проведения измерений необходимо, чтобы плоскость кольца тангенс гальванометра совпадала с плоскостью магнитного меридиана. Для этого его необходимо установить так, чтобы магнитная стрелка была расположена по диаметру кольца. Для уменьшения погрешности измерений, связанных с точностью такой установки тангенс гальванометра, угол отклонения магнитной стрелки следует определять при двух направлениях тока в обмотке прибора. В лабораторной установке измерение направления тока осуществляется ключом (рис 3.1). Тогда, измеряя' – угол отклонения в одном направлении и угол'' – в противоположенном, величина угла отклонения определяют как среднее значение' и''. Число витков в обмотке тангенс гальванометра устанавливается переключателем .

По окончании измерений, величина горизонтальной составляющей магнитного поля Земли рассчитывается по формулам (2.11) и (2.12).