Landsberg-1985-T2

r n а в а XIII. MArH~THOE ПОЛЕ ЗЕМЛ~

§ 128. Магнитное поле Земли. в'§ 112 мы говорили о том,

что подвешенная на нити или, укрепленная на острие маг­

нитная стрелка устанавливается в каждой точке вблизи

земной поверхности определенным образом - приблизи­

тельно в направлении с севера на юг. Этот основной фа~т означает, что существует .магнитное поле Зе.м.ли.

Изучение магнитного поля Земли .имеет чрезвычайно

важное практическое и научное значение. С давних .времен

известен компас, прибор, в котором исщ>льзуется магнит­ ное поле Земли и который дает возможность ориентировать­

ся относительно стран света.

Обычный походный компас

изображен на рис. 227.

Всовременном корабле­

ВQЖдении и самол~товождении

магнитный компас уже не является единственным средством

ориентации и определения курса _корабля или самолета.

Для э.тих целей существуют и другие приборы. Однако магнитный компас отнюдь не потерял своего значения.

Он остается и теперь важным прибором для штурманов,

и магнитными компасами по сегодняшний день снабжаются все корабли и самолеты. Компас широко применяется также геологами, охотниками и путешественниками. -

294 /

I

Наличие'магнитного поля Земли позволяет осуществить

также ряд других важных исследований. Из них мы осо­

бенно отметим методы 'поисков и изучения месторо~ений

железа.

Ход линий земного магнитного поля схематически изоб­

ражен на рис. 228, из которого видно, что земное магнитное

поле имеет такой вид, как будто земной шар представляет

'собой магнит с осью, направленной приблизительно с

севера на юг. В северном полушарии все линии магнитного

поля сходятся в точке, лежащей на 75°50' сев. широтьf и

96° зап. долготы. Эта точка называется южным магнитным

полюсом Земли *). В южном полушарии точка схождения

линий магнитного поля лежит на 70°10' южн. широты и 150°45' вост. долготы; она называется северным магнитным полюсом Земли. Нужно заметить, что точки схождения ли­

ний земного магнитного поля лежат не на самой поверхно­ стн Земли, а под ней. Магнитные полюсы Земли, как мы види'м, не совпадают с ее географическими полюсами. Магнитная ось Земли, т. е. прямая, проходящая через оба магнитных полюса Земли, не проходит через ее центр и,

таким образом, не явшfется земным диаметром.

?128.1. Уже очень давно, с ХУI века, известно, что вертикально

•стоящие железные оконные решетки с течением времени намагни­

чиваются. Объясните это явление. Какой вывод можно сделать из

него относительно направления магнитной индукции земного

магнитного поля? На каком конце вертикального прута-верхнем или нижнем - возникает северный полюс и на каком - южный? 128.2. В книге одного из первых исследователей земного магне_ тизма Гильберта описан следующий опыт. Если бить молотком по железной полосе, расположенной с севера на юг, то полоса

намагнитится. Объясните это явление. Укажите, как будут рас­

положены северный и южный полюсы на намагнитившейся таким образом полосе.

128.3. Самопроизвольное намагничиваl1ие железных предметов в магнитном поле 3eMJtl1 было использовано для устройства магнит_

ных мин, которые устанавливаются на некоторой глубине под

поверхностью воды и взрываются прЙ прохождении над ними ко-

,рабля. Механизм, заставляющий мину всплывать и взрываться,

приходит в действие, когда магнитная стрелка, вращающаяся

вокруг горизонтальной оси, поворачивается под влиянием магнит_ ного поля проходящего над миной железного корабля, который

всегда оказывается самопроизвольно намагниченным (подобно

железным решеткам в заДаче 128.1). Для борьбы с магнитными ми­ нами применяют два способа: магнитное траление этих мин и нейтрализацию магнитного поля корабля.

") Впрочем, положение магнитных полюсов Земли со bp-еменer.I

медленно, изменяется.

295

Первый способ заключается в том, что самолет, летtlЩИЙ

ннзко над поверхностью моря, проносит цад этим участком подве­

шенный к нему на тросах сильный магнит. Иногда вместо этого

опускают на поверхность воды на поплавках кабель в виде коль­

ца и пропускают по этому кольцу ток. Под ВJlющием поля

магнита или тока механизмы всех..мин приходят в действие, и ми­

ны взрываются, не причиняя вреда.

Второй способ состоит в том, что на корабле укрепляют петлн

из изолированного провода и по ним пропускают токи с таким рас­

четом, чтобы магнитное поле этих токов было равно и противопо­ ложно полю корабля (постоянного магнита). Оба поля, склады­ ваясь, уничтожают друг друга, и корабль свободно проходит над магнитной миной, не приводя в действие ее механизма. Укажите,

как ДОЛжен быть напраВJIен ток в петле, если она расположена горизонтальио: по направлению часовой стрелки или против нее,

если смотреть на палубу корабля сверху? Имеет ли значение на·

правление тока в кабеле при первом способе?

128.4. На одну из чашек весов поставлен вертикально железный

стержень, ПOCJlе чего весы уравновешены. В какую сторону нару­

шится равновесие весов, если мы намагнитим этот стержень так,

чтобы северный полюс его был внизу?

128.5. При подготовке Полетов на Северный полюс много внима·

ния уделяется обеспечению ориентации саМО.1!ета вблизи полюса,

так как там обыкновенные магнитные компасы работают очень плохо и практически непригодны. Почему это так?

§ 129_ Элементы земного магнетизма. Так как магнитные и

географические полюсы Земли не совпадают", то маГНИтная

стрелка указывает направление север - юг только прибли-

N / \. N

а) в местах с восточным магнитным склонением; б) в местах с запад­

ным магнитным склонениеМ

зительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная

СТРeJIка, называют nлос1COCtnЬЮ .магнитного .меридиана дан­

ного места, а прямую, по которой эта плоскость пересе­ кается с ГОРИЗ8НТальной плоскостью, называют .магнитным меридианом. УГОЛ между направлениями магнитного и

296

географического меридианов называют магнитным скло­

нением; его принято обозначать греческой буквой <р. Маг­

нитное склонение изменяется от места к месту на земном

шаре.

Магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу (W) или к востоку (О) ОТ

плоскости географического меридиана отклоняется север­

ный полюс магнитной стрелки (рис. 229). Шкала измерения

склонения - от О до 1800, Часто восточное склонение

отмечают знаком «+», а западное знаком «-».

Из рис. 228 видно, что линии земного магнитного поля,

вообще говоря, не параллельны поверхности Земли. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит !З

плоскости горизонта данного места, а образует с этой

плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнит- ным наклонением. Магнитное накло­

. нение часто обозначают буквой i.

В разных местах Земли магнитное

наклонение различно.

р.,......,__..8"

I

I

I

I

I

--- -I;------+--"

I

Рис. 230. /I\агнитная Рис. 231. Разложение магнитной индукции

стрелка, укрепленная земного магнитного поля на горизонталь­ в кардановом подвесе, ную и вертикальную составляющие

устанавливается по на'

правлению магнитной

индукции земного магнитного поля

Очень ясное представление о направлении магнитной индукции земного магнитного поля в данной точке можно

получить, укрепив магнитную стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться и вокруг вертикальной и вокруг гори­

зонтальной оси. Это можно осуществить, например, с

помощью подвеса (так называемого карданова подвеса), показанного на рис. 230. Стрелка устанавливается при этом

по направлению магнитной индукции поля.

297.

Магнитное склонение и магнитное наклонение (углы <р

и i) полностью определяют направление магнитной индук­ ции земного .магнитного поля в данном месте. Остает-ся еще определить числовое значение этой величины. Пусть пло- -

скость Р на рис. 231 представляет собой плоскость. магнит­

ного меридиана данного места. Лежащую в этой плоскости

магнитную индукцию земного магнитного поля В мы можем разложить на две составляющие: горизонтальную Вг и

вертикальную Вв' Зная угол i (наклонение) и одну из

составляющих, мы можем легко l3ычислить другую состав­

ляющую или сам вектор В. Если, например, нам изв~ен модуль горизонтальной состав­ ляющей Вг, то из прямоуголь­

ного треугольника находим

числовое значение горuзонталЬ1jОЙ составляющей nОЛflостью

характеризуют магнитное. поле 3е,'r/ЛИ в данном месте.

Эти три величины называют элементами земного магнитного

поля.

?129.1. Угол наклонения магннтной стрелки равен 600. Если к ее

•верхнему концу прикрепить гирьку массы О, I г, то стрелка уста­

нов.ится под углом 30° к горизонту. Какую гирьку нужно прикре­

нить к верхнему концу этой стре.1КИ, чтобы стрелка стала гори­

зонтально?

129.2. На рис. 232 изображен uнклuнаmор, или буссоль наклоне­ нuй,- прибор, служащий для измерения магнитного наклонения.

Он представляет собой магнитную стрелку, укрепленную на го­

ризонтальной оси и снабженную вертикальным разделенным кру­

Гом для отсчета углов наклоНеНИя. Стрелка всегда вращается в

плоскости этого круга, но сама эта .плоскость может поворачи­

ваться вокруг вертикальной оси. При измерении'наклонения круг

устанавлив~тся В плоскости маГНИТН>QГО меридиана.

298

ПОкажите, ЧТО, если круг ИИКJIинатора устаиов.п:ен в пло­

скос,ти магнитного меридиана, то стрелка установится ПОД углом

к плоскости горизонта, равным наклонению земного магнитного

поля в даниом месте. Как будет ИЗменяться !lТОТ угол, если мы ~yдeM поворачивать круг ИНКJIинатора вокруг вертикальной оси? l(aK установится стрелка, когда плоскость круга инклинатора

.будет перпендикулярна к плоскости магнитного меридиана?

. 129.3. Как будет вести себя компасная стрелка, помещенная над

одним из земных магнитных полюсов? Как будет 'Вести себя там

Точное знание величин, характеризующих земное маг­

нитное поле, для возможно большего числа пунктов на

Земле имеет чрезвычайно важное значение. Ясно, напри­

мер, что, ДЛЯ того чтобы штурман корабля или самолета

мог пользоваться магнитным компасом, он должен в каж­

дой точке своего пути знать маГI;lитное. склонение. Ведь

компас указывает ему направление магнитного меридиана,

а для определеНИ5I курса корабля он должен знать направ­ ление географического меридиана.

Склонение дает ему ту поправку к показаниям компаса,

которую необходимо внести, .чтобы найти истинное направ­

ление север - юг. Поэтому с середины прошлого века во

многих странах ведется систематическое изучение земного

магнитного поля. Свыше 50 специальных магнитных обсер­ ваторий, распределенных по всему земному' шару, система­ тически, изо дня в день, ведут магнитные наблюдения..

В настоящее время мы имеем обширные данные о рас­

пределении элементов земного магнетизма по земному

шару.. Данные эти показывают, что элементы земного

магнетизма ·изменяются от точки R' точке закономерно и в

общем определяются широтой и долготой данного пу~кта.

§ 130. Магнитные аномалии и магнитная разведка полезных

ископаемых. На земном шаре встречаются местности, в ко­

торых магнитные элементы изменяются очень резко и

имеют значения, сильно отличающиеся от соответствующих'

значений в соседних местностях. Такие области называются

областями магнитной аномалии.

Причиной магнитной аномалии в большинстве случаев является наличие под поверхностью Земли больших масс магнитной железной руды. Поэтому изучение магнитной

аномалии может дать ценные указания о наличии и рас­

положении этих залежей. Одной из самых больших и хоро­

шо изученных магнитl'IЫХ аномалий является Курская маг­

Нитная аномалия, исследованная под руководством совет-

299

Г л а в а XIV. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ

ВМАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ПРОВОДННКИ С ТОКОМ

§132. Введение. В предыдущих главах мы познакомились

с разнообразными электромагнитными явлениями. Были

рассмотрены различные случаи взаимодействия магнитов

"Между собой, действия токов на магниты и магнитов на токи, равно как и взаимодействия токов. Во всех этих случаях

дело сводится к воздействию магнитного поля, созданного

какими-либо магнитами и токами, на помещенные в это

поле магниты и токи. Но магнитные свойства постоянных

магнитов также обусловливаются токами, непрерывно цир­

кулирующими в частицах, из которых построено вещество

этих магнитов (молекулярные амперовы токи). Таким

образом, в основе всех магнитных взаимодействий лежит воздействие магнитного поля на токи. Поэтому более подробное рассмотрение этого вопроса представляет глубо­ кий научный интерес. С другой стороны, и огромное чм:сло технических применений электромагнитных явлений сво­ дится к воздействию магнитного поля на проводники, по

которым идет ток. В соответствии с этим МЫ в настоящей

главе рассмотрим более подробно силы, действующие в

магнитном поле на проводники с током.

§ 133. Действие магнитного поля на прямолинейный провод­ ник с током. Правило левой руки. Проводникам можно при­

дать такую форму, при которой более отчетливо выяснится

характер воздействия магнитного поля на отдельные участ­ ки цепи, по которой течет ток. Воспользуемся магнитным полем подковообразного магюпа или электромагнита,. а

цепь с током составим так, чтобы только один прямолиней­

ный участок ее оказался в сильном поле, остальные же уча­ стки цепи проходили по тем частям пространства, где на­ пряженность поля чрезвычайно мала и действием поля на

эти участки цепи можно вполне пренебречь. (рис. 233).

Практически лишь прямолинейный участок цепи аЬ нахо-

301

дится под действием значительного.поля, так что наблю­

даемые силы являются силами, с которыми магнитное поле

действует на'прямолинейный ток. Изменяя направление

тока в проводнике аЬ (наприм~р, с помощью переключателя)

Рис. 233. Действие магнитного поля ,на прямолинейный проводник с· током. Сила F выталкивает проводник с током аЬ

и изменяя направление магнитного поля (например, пово­

рачивая магmп), можно исследовать, направление дейст­ вующей силы (рис. 234) *). Эти опыты показывают, что

проводник аЬ отклоняется вправо или влево (рис. 233) или стремится переместиться вверх или вниз (рис. 234, а и б). Наконец, оказывается, что поле не действует на проводник,

когда ток в нем течет параллельно направлению поля

(рис. 234, в). Выполняя разнообразные опыты такого рода,

можно сделать следующий общий ВЫВОД.

Направление СИЛЬt F, С которой магнитное поле дейст­ вует на nрямолuнейный проводник с током J, всегда nерnен­

дикулярно к проводнику и к направлению магнитной индук­

ции В. Нр проводники, расположенные вдоль направления линий ;.,taгHumHoeO поля, поле не действует.

При этом ток J, индукция В и сила F направлены так,

как показано на рис. 235. Для запоминания этого взаимного

"') На рис. 234 для простоты показано, что проводник аЬ висит на

пружинках (на динамометре), которые растягиваются или сжимаются в зависимости от того, направлена сила ВНИЗ или вверх. Чтобы установ. ка была достаточно ЧУВСТВlПельной, надо проводник аЬ подвесить к ры· чагу чувствительных весов и применить сильное магнитное поле и боль-

30i

расположения удобно пользоваться nравuлoм,' левой pyк.u

Если расположиm.b левую ладОНЬ так, чтобы вытянутые

nальцыl указывали направление тока, а линии магнитного

поля вnuвалucь в ладОНЬ, nw отставленный большой палец

укажет нanравлеf!.ие силы, действующей на nроводних.

ь

Рис. 234. При перемене направления тока изменяется направление

силы F: проводник с током, который выталкивался из магнитного поля (а), на'1инает втягиваться в него (6). Если направление тока па·

раллельно линиям магнитного поля, то оно не дейсmует на проводник

стоком (8)

Если направление магнитной индукции В составляет некоторый угол с направлением тока 1, то для определения

силы действия IJ{)ЛЯ на ток надо разложить магнитную

индукцию В на две составляющие: B 11 , параллельную току,

и В.1.' перпендикулярную к нему (рис. 237)~ Лишь эта

последняя и обусловливает силу действия поля, и ПО отно­ шению к ней надо применять правило левой руки.

Если выполнять измерение модуля силы F, пользуясь показаниями весов или дина.tvl.ометра (рис. 234, а и. 6), то

заз