Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

003_ELEKTRIChESTVO__I__MAGNETIZM / РАБОТА_2.06

.doc
Скачиваний:
68
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
608.26 Кб
Скачать

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.06

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА

ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Москва 2012 г.

Лабораторная работа № 2.06

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА

ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли.

ВВЕДЕНИЕ

Вектор индукции магнитного поля является силовой характеристикой магнитного поля. Из закона Ампера следует, что

(1)

где dF – максимальная сила, действующая со стороны магнитного поля на элемент проводника длиной dl, по которому течет ток I. Из формулы (1) следует, что магнитная индукция B численно равна силе, действующей со стороны магнитного поля на единицу длины проводника, по которому течет единичный ток и который расположен перпендикулярно вектору . В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах [B] = Тл.

Для магнитного поля (как и для электростатического) можно построить силовые линии так, чтобы касательная в любой точке линии совпадала с направлением вектора , а густота силовых линий отражала величину вектора на данном участке пространства. Известно, что Земля обладает собственным магнитным полем. Картина силовых линий магнитного поля Земли изображена на рис.1. Линия NGSG  ось Земли, NG и SG  соответственно северный и южный географические полюсы, S и N - южный и северный магнитные полюсы Земли. Из рисунка видно, что географические и магнитные полюсы не совпадают и, кроме того, близлежащие географические и магнитные полюсы противоположны по названию. Из рисунка видно также, что большинство силовых линий у поверхности Земли не перпендикулярны к ней. Это значит, что вектор индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: вертикальную и горизонтальную . На рис. 2 приведено такое разложение для северного

2

полушария. Например, в Киеве = 210-5 Тл. Для изучения магнитных полей можно воспользоваться магнитной стрелкой обыкновенного компаса. Очевидно, что вращаться вокруг вертикальной оси магнитную стрелку заставляют горизонтальные составляющие сил, действующих со стороны

окружающих магнитных полей.

Так, под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, стрелка устанавливается в направлении магнитного меридиана (в плоскости силовой линии). Если около стрелки создать дополнительное магнитное поле с помощью контура с током, то это приведет к отклонению стрелки на некоторый угол от первоначального положения, так как стрелка устанавливается по направлению результирующего вектора магнитной индукции обоих полей (для магнитных полей справедлив принцип суперпозиции). Если индукцию созданного контуром поля возможно рассчитать, то по измеренному углу отклонения можно определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли. Действительно, если в качестве контура взять плоскую катушку с установленной в центре магнитной стрелкой и совместить плоскость катушки с плоскостью магнитного меридиана Земли, то после включения в контуре тока стрелка отклонится на угол  (рис.3) и будет справедливо выражение , (2)

здесь Вк  индукция магнитного поля созданного контуром в его центре.

Для определения индукции Вк необходимо воспользоваться законом БиоСавараЛапласа:

где - магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника

3

длиной dl с током I, причем dl направлен по току ;  магнитная проницаемость среды (для воздуха  = 1); Гн/м  магнитная постоянная; радиус-вектор, проведенный из середины элемента проводника в точку, где определяется магнитная индукция. Направление вектора определяется правилом, справедливым для векторного произведения векторов и .

Для расчета B в центре кругового тока (рис.4) контур разбивается на бесконечное количество прямолинейных участков dl. Индукция от каждого такого участка находится из закона БиоСавараЛапласа, записанного в скалярной форме:

,

где   угол между векторами и . Так как в нашем случае направление отдельных векторов совпадает, то модуль результирующего вектора находится простым суммированием , т.е.

здесь r - радиус контура и sin = sin90o = 1.

Если в катушке имеется N витков провода, то

(3)

Подставив (3) в (2), получим

(4)

Экспериментальная установка

Для экспериментального определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли служит тангенс-гальванометр (рис.5). Тангенс гальванометр состоит из катушек на подставке и компаса, который устанавливается в их центре. Ключ S2 позволяет изменять направление тока в электрическом контуре, а реостат R силу тока в контуре. Ток в цепи измеряется

4

миллиамперметром A. Ключ S1 служит для включения установки,   источник питания.

Порядок выполнения работы

  1. Собрать схему, показанную на рис.5.

  2. Записать в таблицу параметры вашего тангенсгальванометра: число витков N и характерный размер катушки R.

3. Совместить плоскость катушки тангенсгальванометра с осью NS магнитной стрелки.

4. Установить максимальное сопротивление реостата R.

5. Установить ключ S2 в одно из крайних положений.

6. Замкнуть ключ S1.

7. Измерить силу тока I и занести ее в таблицу.

8. Измерить угол отклонения стрелки 1 и занести в таблицу.

9. Переключить S2 в другое крайнее положение.

10. Измерить угол отклонения стрелки 2 и занести в таблицу.

11. Уменьшить сопротивление реостата и перейти к выполнению п.7

Действия по пунктам 7  11 повторить 7  10 раз.

Таблица

Число витков N =

Радиус катушки r =

I, A

1

2

ср

tg ср

Bг, Тл

Вг ср, Тл

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

5

Обработка результатов измерения

1. ср определять для каждого опыта как среднее арифметическое от 1 и 2

2. Значения ВГ рассчитывать по формуле (4).

  1. Определить среднее значение ВГ ср и занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение вектора магнитной индукции.

2. Запишите закон БиоСавараЛапласа в векторной и скалярной форме.

3. Какие силы действуют на стрелку тангенсгальванометра?

4. Как найти направление вектора в данной точке пространства, если известно направление тока в проводнике?

5. Используя закон БиоСавараЛапласа получить формулу (3).

Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики, книга 2. Электричество и магнетизм. М.: «Наука». 2003 г.

  2. Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999 г.

  3. Калашников С.Г. Электричество. M.: Физматлит, 2004 г.

  4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: «Высшая школа», 2003г.

Соседние файлы в папке 003_ELEKTRIChESTVO__I__MAGNETIZM