- •Лабораторна робота № 1 вивчення криволінійного руху
- •Теоретичні відомості
- •Опис методу
- •Порядок виконання роботи
- •Лабораторна робота № 2 визначення моменту інерції системи на прикладі маятника обербека
- •Теоретичні відомості
- •Опис методу
- •Порядок виконання роботи
- •Обчислення похибок прямих вимірювань
- •Обчислення похибок непрямого вимірювання
- •Обчислення похибки непрямого вимірювання
- •То після підстановки формул (5)÷(13) у формулу
- •Порядок виконання роботи.
- •За допомогою формули (21) обчислити відносну похибку вимірювань коефіцієнта тертя кочення.
- •Коефіцієнти тертя кочення
- •Лабораторна робота № 4 визначення відношення питомих теплоємностей газів методом адіабатичного розширення
- •Теоретичні відомості
- •Опис методу
- •Порядок виконання роботи
- •Обчислення похибок прямих вимірювань
- •Обчислення похибки непрямого вимірювання
- •Лабораторна робота № 5 дослідження електростатичного поля
- •Теоретичні відомості
- •Опис методу
- •Порядок виконання роботи.
- •Лабораторна робота № 6 електровимірювальні прилади. Вимірювання електричного струму.
- •Характеристики нешунтованих амперметрів
- •Виміри та розрахунки для еталонного
- •Лабораторна робота № 7 визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля землі
- •Теоретичні відомості
- •Порядок виконання роботи
- •Результати вимірювань та вихідні дані для розрахунку похибок
- •Питання для самоперевірки
Лабораторна робота № 7 визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля землі
Мета роботи: вивчити один з методів визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля Землі.
Прилади та обладнання: тангенс-бусоль, джерело постійної напруги на 46 В, амперметр постійного струму на 0.51.0 А, котушка, реостат на 100200 Ом, з’єднувальні дроти, двополюсний перемикач.
Теоретичні відомості
Земний магнетизм (геомагнетизм) – це магнітне поле Землі та навколоземного космічного простору, яке зумовлене дією постійних джерел, що містяться всередині Землі і зазнають лише повільних вікових змін, та зовнішніх джерел (змінних), які знаходяться у магніто- й іоносфері. Відповідно, розрізняють основне (головне, 99%) і змінне (1%) геомагнітні поля. Складну картину розподілу геомагнітного поля в першому наближенні можна зобразити полем диполя, розташованого в центрі Землі, або однорідною намагніченою кулею, магнітний момент якої спрямований під кутом 11.5до осі обертання Землі. Геомагнітні полюси Землі не збігаються з географічними. Південний полюс SMмагнітного поля Землі знаходиться біля північних берегів Америки, близько 75північної широти і 101західної довготи, а північний полюс NM– в Антарктиді, близько 67південної широти і 140східної довготи.
Для з’ясування походження основного магнітного поля розглядалися різні гіпотези. Сучасні дані про вікові та багаторазові зміни полярності геомагнітного поля задовільно пояснюються тільки моделлю гідромагнітного динамо. Згідно з цією моделлю в електропровідному рідкому ядрі Землі проходять дуже складні й інтенсивні рухи, що спричинюють самозбудження магнітного поля, аналогічно тому, як виникає генерація електричного струму і магнітного поля в динамо-машині з самозбудженням. Дія гідромагнітного динамо заснована на явищі електромагнітної індукції в рухомому середовищі, яке під час руху перетинає силові лінії магнітного поля. Дослідження гідромагнітного динамо спираються на магнітну гідродинаміку.
У загальному випадку магнітне поле в ядрі Землі можна уявити у вигляді суми двох складових – тороїдального поляі поля, силові лінії якого лежать в меридіанних площинах.
Рис. 1.
Схему магнітних полів у гідромагнітному динамо Землі зображено на рис. 1, де – поле, близьке до поля диполя, напрямленого вздовж осі обертання Землі;– тороїдальне поле, яке замикається всередині земного ядра. Полев сотні разів сильніше за проникаюче з ядра назовні поле.
У будь-якій точці простору навколо Землі і на поверхні Землі діють магнітні сили. Магнітне поле Землі вивчають за допомогою магнітних вимірювань (магнітна зйомка). Такі вимірювання виконуються на суші, у морях та океанах (за допомогою немагнітних суден), у повітрі (аеромагнітні зйомки) і на великих висотах (за допомогою ракет і штучних супутників Землі).
У будь-якому місці земної поверхні вектор магнітної індукції магнітного поля Землі має певне значення та напрям. Так, біля екватора він спрямований горизонтально, а біля магнітних полюсів – вертикально, в інших точках земної поверхні – під деяким кутом до неї. Значення величини індукціїмагнітного поля Землі змінюються від 4.2·10-5Тл на екваторі до 7.0·10-5Тл поблизу магнітних полюсів.
Основними параметрами магнітного поля Землі є магнітне нахилення(кут між напрямом вектораі площиною горизонту, див. рис.2), магнітне схилення(кут між горизонтальною складовою вектората площиною географічного меридіану) і горизонтальна складова індукції магнітного поля Землі.
Рис. 2.
Географічний меридіан– це напрям, що визначає дійсне положення лінії „північ-південь” у певній місцевості.
Магнітний меридіан– це уявна лінія на земній поверхні, що збігається з напрямом земного магнітного поля (напрям стрілки компасу збігається з напрямом магнітного меридіану).
На магнітних полюсах магнітне нахилення =90. Тому повна індукція та вертикальна складова магнітного поля мають однакові значення: магнітна стрілка встановлюється у вертикальному положенні.
На магнітному екваторі (= 0) повна індукціята горизонтальна складовадорівнюють одна одній: магнітна стрілка встановлюється у горизонтальному положенні.
Напрям вектора досліджують за допомогою магнітної стрілки, яка закріплена на вертикальній осі й може вільно обертатися тільки в горизонтальній площині. Якщо таку магнітну стрілку розмістити у центрі колової рамки зі струмом, яка розміщена вертикально в площині магнітного меридіану, то магнітна стрілка встановиться вздовж напряму вектора магнітної індукції сумарного магнітного поля: магнітного поля Землі (йдеться про горизонтальну складову, оскільки вертикальна складова зрівноважена реакцією опори стрілки) та магнітного поля колової рамки зі струмом з індукцією.
Таким чином, остаточно магнітна стрілка встановиться під певним кутомдо напряму магнітного поля Землі та займе таке положення рівноваги, при якому рівнодіюча цих двох полів буде збігатися з лінією, що з’єднує полюси стрілки. На рис. 3 NS є напрямом магнітного меридіану Землі; AB – переріз колової рамки горизонтальною площиною;– вектор горизонтальної складової магнітної індукції магнітного поля Землі;– вектор магнітної індукції магнітного поля, створеного струмомІв коловій рамці (його напрям визначається за правилом свердлика).
Рис. 3.
Тангенс кута, під яким встановлюється магнітна стрілка при проходженні струму у коловій рамці дорівнює: .
Тоді . (1)
Індукція магнітного поля в центрі одного витка обчислюється за законом Біо-Савара-Лапласа:
, (2)
де – відносна діелектрична проникність середовища (для повітря1, в той час як для вакууму=1);
0– магнітна стала,0= 4·10-7Гн/м;
І– сила струму у витку;
R– радіус витка.
Магнітна індукція в центрі колової рамки зі струмом, що має nвитків дорівнює:
. (3)
У даній роботі R= 0.075 м,n= 160 витків.
Підставивши вираз (3) у рівняння (1), отримаємо робочу формулу для обчислення величини горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля Землі:
. (4)