Практикум по электричеству и электротехнике / LAB9
.pdf
Б.Н. Сипливый, В.К. Михайлов,
В.В. Подгорный, П.И. Поленичкин.
Практикум по электричеству
Лабораторная работа №9
Определение горизонтальной
составляющей магнитного поля Земли
Целью работы является измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли тангенс-буссолью.
5.1.1. Введение
Земной шар представляет собой естественный магнит. Результаты многочисленных измерений дают основание изображать магнитное поле Земли в первом приближении как поле прямого магнита. Ось этого условного магнита наклонена к оси суточного вращения Земли, т.е. магнитные полюса не совпадают с географическими, причем вблизи северного географического полюса (С) расположен южный магнитный (S) и наобо-
рот (рис.5.1.1).
В области магнитных полюсов силовые линии перпендикулярны к поверхности Земли; а в области магнитного экватора — параллельны. В средних магнитных широтах силовые линии направлены под углом к поверхности Земли. Вектор B0
магнитного поля Земли при этом можно разложить на две составляющие — вертикальную B и горизонтальную B (рис.5.2.2). Направ-
ление горизонтальной составляющей B принимается за направление магнитного меридиана. Угол между направлением магнитного поля Земли B0 и горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением. Угол между географическим и магнитным меридианами (рис.5.1.3) на-
зывается углом склонения (магнитным склонением). Углы и в данной точке Земли зависят как от широты, так и от долготы этой точки. Магнитная стрелка компаса, вращающаяся вокруг вертикальной оси, отклоняется только под действием горизонтальной составлявшей B вектора B0.
5.1.2. Установка и метод
Для измерения величины B используется прибор, называемый тангенс-буссолью, который состоит из нескольких витков провода, намотанного на плоскую кольцеобразную катушку большого радиуса. Плоскость катушки расположена вертикально и вращением вокруг вертикальной оси ей можно придавать любое положение. В центре катушки укреплена буссоль, представляющая собой компас с укрепленными на его корпусе глазным и предметным диоптрами, позволяющими при визировании объекта одновременно производить отсчет азимута по круговому подвижному лимбу (шкале) с точностью до 1°. Лимб жестко связан с магнитной стрелкой. Катушка подключается к источнику питания через ключ. Электрическая схема показана на рис.5.1.4. Амперметр измеряет ток через катушку, а источником тока является блок питания (БП), работающий в режиме стабилизации тока. Коммутатор K меняет направление тока через катушку.
2
При отсутствии тока в катушке на стрелку буссоли действует только магнитное поле Земли, и она устанавливается вдоль магнитного меридиана. Поворотом всей тангенс-буссоли плоскость витков совмещается с плоскостью магнитного меридиана, т.е. витки устанавливаются параллельно стрелке. Если после этого по катушке пропустить ток, то стрелка повернется на некоторый угол и установится вдоль векторной суммы поля катушки Вк к горизонтальной составляющей В поля Земли (рис.5.1.5).
Из закона Био-Савара следует, что ток, протекающий по виткам плоской кольцеобразной катушки, создает в ее центре
магнитное поле:
Рис.5.1.5. Сложение магнитных полей катушки и Земли
B |
k |
|
|
IN |
, |
(1) |
|
|
0 2r |
|
|||
где I - ток в катушке, N - число витков, r - радиус катушки, 0 — магнитная постоянная. Таким образом, при совмещении плоскостей катушки и магнитного меридиана:
Bk |
tg . |
(2) |
|
||
B |
|
|
Из формул (1) и (2) получаем для горизонтальной составляющей магнит-
ного поля Земли:
B |
|
IN |
. |
(3) |
0 2r tg |
|
|||
5.1.3.Программа работы и обработка результатов
1.Собрать схему (рис.5.1.4), располагая тангенс-буссоль по возможности дальше от всех приборов с целью уменьшения влияния посторонних магнитных полей.
2.Арретиром, расположенным у основания предметного диоптра буссоли опустить магнитную стрелку на иглу и, поворачивая тангенс-буссоль, совместить плоскость витков с направлением магнитной стрелки.
3.Поставить коммутатор K в одно из рабочих положений. Включить блок питания. Снять зависимость угла отклонения стрелки от тока через катушку, увеличивая его от 0 до 1
Ас шагом 0,1 А. Для повышения точности для каждого значения тока проводить два измерения отклонения стрелки, полученных сменой направления тока в цепи коммутатором. Ток в цепи изменять регуляторами “грубо” и “плавно” на блоке питания.
4.Для каждой точки (Ik, k) вычислить величину B= и подсчитать среднее значение по результатам двух измерений для разных направлений тока в катушке. По результатам всех измерений определить среднее значение В=. Результаты измерений и расчетов оформить в виде таблицы.
5.1.4.Контрольные вопросы и задания
1.Сформулировать закон Био-Савара и вывести из него формулу (1).
2.Изобразить картину магнитного поля Земли. Что такое магнитное склонение и магнитное наклонение?
3.При каком равновесном положении стрелки буссоли относительная ошибка определения B= минимальна?
4.Оценить, реально ли измерить магнитное поле Земли, вращая в нем используемую в работе кольцевую катушку и измеряя индуцируемую в ней ЭДС?
5.1.5. Литература
С.Г. Калашников. Электричество. М.: Наука,1985. §§ 75, 78-80.