МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт з фізики

Магнетизм

5

Київ – 2004

Магнетизм: Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики. /Укладачі А.П.Клименко, Л.І.Фролова, Б.М.Стаднік, М.Т.Степашко, – К.: КНУТД, 2004. – 54.

Укладачі: А.П. Клименко

Л.І. Фролова

Б.М. Стаднік

М.Т. Степашко

Відповідальний за випуск зав. кафедрою фізики А.П.Клименко

Передмова

Метою фізичного практикуму є поглиблення засвоєння курсу фізики, формування у студентів навичок дослідницької роботи, уміння правильно застосовувати методику експерименту та вимірювальні прилади.

Свідоме виконання експерименту, уважність і зосередженість на процесі виконання вимірювань, дбайливе відношення до приладів – необхідні умови успішного виконання фізичних дослідів. Для цього слід заздалегідь опрацювати відповідний теоретичний матеріал за підручниками, конспектами лекцій, методичними вказівками, ознайомитися з установкою, на якій буде виконуватись лабораторна робота,

До виконання лабораторної роботи потрібно підготувати протокол – короткий конспект інструкції, куди обов’язково повинні входити: короткі теоретичні відомості, формули для розрахунку вимірюваних фізичних величин і їх похибок, принципова схема установки, таблиця, куди будуть заноситись результати вимірювань потрібних фізичних величин.

Перед виконанням дослідів студент повинен одержати у викладача допуск до роботи. Для цього потрібно відповісти на кілька запитань з теорії та ходу виконання відповідної лабораторної роботи.

Виконавши всі необхідні вимірювання і записавши їх до протоколу, показують ці дані викладачу. До наступного заняття результати вимірювань відповідної лабораторної роботи слід обробити згідно з методичними вказівками: побудувати графіки, виконати обчислення шуканих величин і їх похибок, грамотно округлити і записати остаточні результати в надійних границях, детально опрацювати теоретичний матеріал і захистити лабораторну роботу.

Для самоконтролю при підготовці до захисту роботи в кінці кожної лабораторної роботи в методичних указівках подані контрольні запитання.

Під час виконання лабораторної роботи студент повинен бути уважним і строго виконувати правила техніки безпеки:

1) не вмикати рубильники, а також вилки в розетку без дозволу викладача або лаборанта;

2) не вмикати схему, що знаходиться під напругою без попередньої перевірки її викладачем або лаборантом;

3) не проводити перемикання схем, що знаходяться під напругою;

4) не торкатись до неізольованих частин схеми;

5) не залишати без нагляду схему, що знаходиться під напругою;

6) електричне коло замикати тільки на час вимірювань.

Лабораторна робота № 31

Визначення постійної тангенс-бусолі та горизонтальної

складової напруженості магнітного поля Землі

Теоретичні відомості

Земля являє собою величезний магніт, полюси якого лежать поблизу географічних полюсів: неподалік північного географічного полюса розміщений південний магнітний S, а біля південного географічного – північний магнітний N. За сучасними уявленнями поле Землі обумовлене струмами, що циркулюють по поверхні ядра Землі, а також частково намагніченістю гірських порід і струмами в радіаційних поясах.

Вектор напруженості магнітного поля Землі на екваторі спрямований горизонтально, а поблизу магнітних полюсів – вертикально. В інших точках земної поверхні вектор напруженості магнітного поля Землі спрямований під певним кутом. Величину проекції вектора напруженості земного магнітного поля Н на горизонтальну площину називають горизонтальною складовою магнітного поля Землі Н₃. Напрям цієї складової вважають напрямком магнітного меридіану. Кут між напрямком магнітного поля Землі й горизонтальною площиною називається кутом відхилення, а кут між географічним і магнітним меридіаном – кутом схилення .

Магнітна стрілка, яка може обертатись лише довкола вертикальної осі, буде відхилятись в горизонтальній площині тільки під дією горизонтальної складової вектора напруженості магнітного поля Землі (Н₃).

Ця властивість магнітної стрілки використовується в тангенс-бусолі для визначення Н₃. Тангенс-бусоль являє собою плоску вертикальну котушку великого радіуса R, на яку намотано кілька десятків витків дроту n. Величина радіуса котушки і число витків вказані настенді установки.

У центрі котушки в горизонтальній площині поміщено компас. Магнітна стрілка компаса за відсутності струму в котушці буде спрямована вздовж магнітного меридіана Землі NS. Повертаючи котушку довкола вертикальної осі можна її виставити так, що площина котушки буде збігатися з площиною магнітного меридіана – магнітна стрілка в цьому випадку буде знаходитись в площині котушки. Якщо після такого виставлення через витки котушки пропустити струм, то магнітна стрілка повернеться на деякий кут . Пояснюється це тим, що в цьому випадку на магнітну стрілку будуть діяти два магнітних поля: І – горизонтальна складова напруженості поля Землі Н₃ і ІІ – створене струмом бусолі – Н_Б (рис. 1).

Під дією цих полів магнітна стрілка займе таке положення рівноваги, що пряма, яка з’єднує полюси стрілки, збігатиметься за напрямком з вектором напруженості результуючого магнітного поля. На Рис. 1 точки А і В – перетин витка котушки горизонтальною площиною, SN – магнітна стрілка компаса, поміщеного в центр котушки, Н₃ – вектор горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі, Н_Б – вектор напруженості магнітного поля, створеного струмом котушки (визначається за правилом свердлика).

Зверніть увагу на розташування магнітних силових ліній навколо провідника зі струмом; у точці А струм йде на нас (показаний крапкою), у точці В струм йде від нас (показаний хрестиком). Магнітне поле в центрі колового струму (векторН_Б) спрямоване перпендикулярно до площини витків.

З малюнка видно, що:

tg =Н_Б/Н₃ і, отже,

Н

Рис. 1

₃=Н_Б/tg (1)

Величина напруженості поля Н_Б обчислюється за законом Біо-Савара-Лапласа і в центрі котушки великого радіуса, що містить n витків, крізь які тече струм, визначається за формулою:

Н_Б = , (2)

де І – струм, що тече через виток, r – радіус витка котушки.

Підставляючи значення Н_Б у формулу (1) одержимо:

Н₃ =. (3)

На підставі рівняння (3) одержимо вираз для сили струму:

, (4)

де – величина постійна, тому щоН₃ (у даному місці Землі), n і r (для бусолі) – постійні. Величина С називається постійною тангенс-бусолі. Визначивши постійну тангенс-бусолі, знаходимо горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі:

. (5)