Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

кафедра математики и физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4.2

по дисциплине

«ФИЗИКА»

для студентов всех специальностей

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

кафедра математики и физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4.2

по дисциплине

«ФИЗИКА»

для студентов всех специальностей

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Тангенс-гальванометр

2. Миллиамперметр

3. Реостат

4. Коммутатор

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Магнитные взаимодействия, как между электрическими токами, так и между магнитами осуществляются посредством магнитного поля. Магнитное поле можно представить наглядно следующим образом. Если проводники с током продеть через лист картона и насыпать на лист маленькие магнитные стрелки, то они расположатся вокруг проводника по касательным к концентрическим окружностям, центры которых совпадают с точкой пересечения оси проводника с картоном. Это явление свидетельствует о действии некоторых сил в пространстве, окружающем проводник с электрическим током. Окружности, по которым расположились магнитные стрелки, указывают на положение магнитных линий, которые, в отличие от линий электростатического поля, не имеют начала и конца, образуя замкнутые петли, сцепленные с контуром тока.

За направление магнитной линии в данной точке поля принимается направление от южного к северному полюсу магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Направление линии магнитной индукции можно определить при помощи правила буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению электрического тока, то направление вращения головки укажет направление линий индукции магнитного поля.

Таким образом, магнитное поле оказывается вихревым, т.е. с замкнутыми линиями магнитной индукции, в отличие от невихревого электростатического поля, и проявляется как силовым действием на движущиеся заряженные частицы, так и ориентирующим воздействием на рамку с током.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , который направлен в каждой точке поля по касательной к магнитной линии.

Выражение силы, действующей на элемент тока , находящийся в магнитном поле, записывается следующим образом:

, (1)

где – величина тока в проводнике, помещенном в магнитное поле; – дифференциальный элемент тока; – индукция магнитного поля, в которое помещен элемент тока.

Если направление тока в элементе проводника перпендикулярно к магнитной индукции (), то:

(1а)

и, следовательно,

. (2)

Таким образом, вектор магнитной индукции равен силе, с которой магнитное поле действует на единицу длины проводника, по которому течет ток, равный единице, помещенного перпендикулярно вектору магнитной индукции.

В СИ за единицу измерения индукции магнитного поля принимается 1 Тл (Тесла). Один Тесла есть индукция такого однородного магнитного поля 1 м² площади которого, расположенный перпендикулярно к , пронизывается магнитным потоком в 1 Вб (Вебер).

Магнитное поле земли

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на поверхности Земли обнаруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, линии индукции которого изображены на рис. 1. Северный магнитный полюс находится у южного географического полюса и наоборот.

Происхождение магнитного поля Земли в настоящее время еще не выяснено. Существующие гипотезы о происхождении земного магнетизма можно разбить на две группы.

Одна группа гипотез объясняет наличие магнитного поля электрическими токами Земли, циркулирующими с востока на запад на больших глубинах в жидком ядре Земли.

Вторая группа гипотез полагает, что земная кора содержит в разных своих участках различное количество магнитных пород.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то она установится по касательной к линии индукции магнитного поля Земли, т.е. будет совпадать по направлению с вектором магнитной индукции (рис. 2).

В северном полушарии северный конец ее будет наклонен в каждой точке поля к Земле и стрелка составит с горизонтом угол наклонения (на магнитном экваторе стрелка установится строго горизонтально и угол будет равен нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой .

Так как магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами, то стрелка оказывается отклонённой от географического меридиана. Угол , который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим меридианом называется магнитным склонением (рис. 2).

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную (рис. 3).

Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси (имеет только две степени свободы), то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Действие вертикальной составляющей уравновешивается силами трения в точке опоры стрелки.

Методика эксперимента и описание установки

Цель настоящей работы – определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Основой тангенс-гальванометра является рамка, имеющая форму круга или квадрата, по внешнему периметру которой плотно намотано несколько витков проводника. Своей плоскостью рамка ориентируется вертикально. В центре рамки помещена маленькая магнитная стрелка, способная поворачиваться вокруг вертикальной оси. Она должна быть настолько малой, чтобы индукцию магнитного поля, возникающего при прохождении постоянного электрического тока по виткам проводника, можно считать постоянной в той области, где находится стрелка.

Когда в витках тангенс-гальванометра электрический ток отсутствует, на магнитную стрелку действует только горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли, под действием которой она ориентируется в плоскости магнитного меридиана. Если при этом плоскость витков совместить с плоскостью магнитного меридиана, то стрелка окажется расположенной в плоскости витков. При пропускании электрического тока по виткам тангенс-гальванометра возникает магнитное поле с индукцией , которое направлено в области нахождения магнитной стрелки перпендикулярно к плоскости рамки с витками.

Таким образом, в этом случае на стрелку будут действовать два магнитных поля: магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Индукции обоих полей взаимно перпендикулярны. На рис. 4 изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью, где – вектор индукции магнитного поля рамки с током; – горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли.

Рис. 4

Стрелка устанавливается по направлению результирующей , т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут векторы и .

Согласно рис. 4 находим:

. (3)

С другой стороны, магнитная индукция в центре витков тангенс-гальвано­метра равна:

(круговой контур) (4)

(квадратная рамка), (4а)

где – величина тока, протекающего по виткам рамки тангенс-гальванометра; – число витков рамки тангенс-гальванометра; – радиус витков (0,2 м) (круговой контур); а – сторона квадратной рамки (0,3м); – магнитная проницаемость среды (в нашем случае ); – магнитная постоянная (Гн/м).

Подставив (4) и (4а) в (3), получим:

(круговой контур) (5)

(квадратная рамка). (5а)