Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля землі

Мета роботи − ознайомитись із основними величинами, що характеризують магнітне поле Землі, і навчитись експериментально визначати горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.

Основні теоретичні відомості

Землю можна розглядати як величезний магніт. Магнітна cтрілка у магнітному полі Землі встановлюється в напрямку вектора магнітної індукції (напруженості) поля. Величиниіє силовими характеристиками магнітного поля, яке, як відомо, здатне діяти на рухомі електричні заряди, провідники зі струмом та магнітну стрілку. Стрілка, що може вільно обертатись у просторі, розташується у вертикальній площині, яка утворює деякий кутіз площиною географічного меридіана в місці спостереження. Цей кут називається кутом магнітного схилення. Також користуються так званим кутом магнітного нахилу, тобто кутом між віссю магнітної стрілки та певною горизонтальною лінією (“горизонтом”).

Кут магнітного схилення не дорівнює нулю, оскільки магнітні полюси Землі не збігаються з географічними полюсами. Крім того, як показують сучасні дослідження, магнітні полюси Землі з часом змінюють своє положення. Південний магнітний полюс S_мЗемлі розташований у північній півкулі (на північ від Гренландії), а північний магнітний полюс N_м – у південній півкулі (на південь від Австралії, в Антарктиді).

Лінії напруженості магнітного поля Землі зображені на рис.1 (N і S – географічні, N_м і S_м – магнітні полюси). У районі екватора лінії напруженості спрямовані горизонтально, в районі магнітних полюсів – вертикально, в інших місцях – під деяким кутом до горизонтальної площини. Напруженість магнітного поля Землі незначна: від 27 А/м – на екваторі до 51 А/м – поблизу полюсів.

Розкладемо вектор напруженості магнітного поля Землі на дві складові– горизонтальну і вертикальну. Якщо будуть відомі горизонтальна складоваі кут магнітного нахилу, можна визначити повну напруженість магнітного поля Землі

. (1)

Величини Н_г, , , які характеризують магнітне поле в даній точці поверхні Землі, називаються елементами земного поля в даному місці. Вони постійно, хоча дуже повільно і слабко, змінюються з часом.

Для вимірювання горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі можна використати тангенс-гальванометр, який складається із плоскої (короткої) котушки, в центрі якої розміщено компас.

Якщо магнітна стрілка розташована в магнітному полі Землі, на її північний і південний полюси діятиме відповідно пара сил, пропорційних напруженості магнітного поля в даній точці Землі,

F_1,2 = kH, (2)

де k – стала величина, що залежить від властивостей стрілки.

При розімкнутому колі на стрілку компаса діє тільки магнітне поле Землі; вона розміститься так, що її вісь збігатиметься з напрямком горизонтальної складової , тобто північний полюс стрілки показуватиме на північ.

При замиканні кола в котушці проходить струм, і на стрілку компаса, крім магнітного поля Землі, діятиме поле котушки в напрямку, перпендикулярному до її площини. Напруженість магнітного поля в центрі котушки (з N витками) можна обчислити за законом Біо−Савара−Лапласа. Результат буде такий:

, (3)

де I – сила струму; R – радіус котушки.

Під дією двох полів стрілка відхилиться від початкового положення на деякий кут, величина якого залежить від сили струму і кута між площинами витків котушки і магнітного меридіана. Для спрощення обчислень площину котушки тангенс-гальванометра зручно сумістити з площиною магнітного меридіана, коли струм не ввімкнуто, тобто площину котушки повернути так, щоб в ній розмістилася магнітна стрілка компаса.

Магнітне поле струму котушки діє на північний і південний полюси стрілки з силами

. (4)

Ці сили перпендикулярні до площини котушки. Пара сил ,буде відхиляти стрілку від початкового положення із площини магнітного меридіана. Коли рівнодіючі сили,і,(рис.2) пройдуть через точку О (центр стрілки), настане рівновага.