ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

(ЧФ ПНИПУ)

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Лаборатория физики

Электромагнетизм

Лабораторная работа № 7

"Определение горизонтальной составляющей

магнитного поля Земли"

2011

Цель работы: определить горизонтальную составляющую Земли с помощью прибора, называемого тангенс-буссолью.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка, включающая в себя тангенс-буссоль, источник постоянного тока, реостат, амперметр.

Краткая теория

З емля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко ( 300 км) от географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, соответственно на юге, - Северным магнитным полюсом. В настоящее время часто употребляются обозначения: Южный геомагнитный полюс (тот, который находится на Юге, в Антарктиде, Северный магнитный) и Северный геомагнитный полюс (на Севере близ Канады, Южный магнитный).

Через магнитные полюса Земли можно провести линии больших кругов – магнитные меридианы, перпендикулярно к ним – линию большого круга – магнитный экватор – и параллельно последнему линии малых кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не толы«о географические, но и магнитные координаты.

Если в данной точке Земли свободно подвесить магнитную стрелку (т.е. подвесить за центр масс так, чтобы она могла поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях), то она установится по направлению напряженности магнитного поля Земли в данной точке.

Но так как магнитное поле Земли – это поле прямого магнита, ясно, что силовые линии этого поля лишь на магнитных полюсах вертикальны, а на магнитном экваторе горизонтальны. В любой другой точке земной поверхности силовая линия, касательная к ней напряженность магнитного поля и, следовательно, свободно подвешенная стрелка располагаются под каким-то углом к вертикали в этой точке Земли и, значит, под каким-то углом к горизонтальной плоскости в данной точке (рис. 1).

Из-за несовпадения магнитных и географических полюсов Земли не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Таким образом, положение свободно расположенной магнитной стрелки характеризуется двумя углами  и , определенными для данной точки Земли.

М агнитное склонение  - угол между направлениями географического и магнитного меридианов (рис. 2).

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Магнитное наклонение  – угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной плоскостью (рис. 3). Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости).

Эти два угла – склонение и наклонение – называют элементами земного магнетизма. Пример: для Москвы   8 (восточное склонение),   70 (северное наклонение).

Магнитное поле Земли подвержено суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Соответственно меняются и элементы земного магнетизма.

Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения – так называемые магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.

Таким образом, установлено, что напряженность магнитного поля в данной точке наклонна, т.е. имеет горизонтальную и вертикальную составляющие. Значит, магнитная стрелка, вращающаяся на закрепленной вертикальной оси, устанавливается в плоскости магнитного меридиана под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Отметим, что магнитная стрелка или рамка с током устанавливается в определенном направлении под действием вектора индукции магнитного поля, а не вектора напряженности. Но в силу установившейся традиции обычно говорят о векторе напряженности.

Итак, стрелка компаса под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если с помощью кругового тока около стрелки создать еще одно магнитное поле, то стрелка установится по направлению равнодействующей обоих магнитных полей. Так как поле кругового тока нетрудно вычислить, зная ток, то горизонтальную составляющую земного магнитного поля можно определить по углу отклонения стрелки и величине поля тока.

Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли производится с помощью прибора, называемого тангенс-буссолью. В центре кругового проводника помещена на острие небольшая магнитная стрелка (при достаточно большом радиусе проводника можно считать, что магнитная стрелка находится в однородном магнитном поле).

При прохождении тока I по витку напряженность магнитного поля в его центре может быть определена по закону Био-Савара-Лапласа:

, (1)

где I - ток; r - радиус витка буссоли.

Е сли контур буссоли установить в плоскости магнитного меридиана Земли, то горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H₀ и поле кругового тока в центре буссоли окажутся перпендикулярными друг другу (рис. 4).

Тогда

(2)

В случае, когда используется не один виток, а n витков, формула (2) приобретает вид:

(3)