Лабораторная работа n11.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

И НДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

ТАНГЕНС - БУСОЛЬЮ

1. Цель работы

Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс - бусоли.

2. Теория вопроса

2.1 Магнитное поле. Магнитное поле — это одно из проявлений электромагнитного поля — формы материи, отличной от вещества и передающей с конечной скоростью электромагнитное действие одних тел на другие.

Источниками магнитных полей являются намагниченные тела, проводники с током, движущиеся электрически заряженные тела. Тщательный анализ показывает, что, в конце концов, в любом случае магнитные поля создаются движущимися элементарными зарядами, чаще всего электронами.

Магнитное поле действует только на движущиеся электрически заряженные тела и на тела, обладающие магнитным моментом, например, магнитная стрелка, рамка с током и т.д. и в этом случае независимо от их состояния движения.

Магнитный момент P - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества, количественно он определяется произведением тока I на площадь контура S, обтекаемого этим током :

P= I · S . (11.1)

Магнитным моментом можно характеризовать как микропроцессы, где микроток обеспечивается движением, например, одного лишь электрона, так и макропроцессы, где ток обеспечивается упорядоченным движением громадного числа носителей тока.

Основной характеристикой интенсивности магнитного поля в вакууме является напряженность магнитного поля Н. Напряженность магнитного поля может быть определена по силовому действию поля на магнитный момент какого - либо пробного тела, помещенного в данную точку поля. В качестве такого пробного тела могут быть выбраны магнитная стрелочка или замкнутый плоский контур с током достаточно малых размеров. По углу поворота этих пробных тел можно судить о моменте М сил, действующих на них со стороны магнитного поля.

Напряженность магнитного поля есть величина векторная, направление вектора Н может быть определено по положению магнитной стрелки (северный конец указывает на направление Н). Направление вектора напряженности магнитного поля прямого тока удобно определять по "правилу буравчика": если буравчик ввинчивать по току, то конец рукоятки движется вдоль поля (рис.11.1,а).

С помощью "правила буравчика" можно опре-делять и направление вектора напряженности магнитного поля в центре кругового тока: если концы рукоятки движутся по направлению кругового тока, то буравчик ввинчивается вдоль поля.

Для графического изображения магнитного поля используются силовые линии, проводимые так, чтобы в любой точке вектор напряженности поля был направлен по касательной к силовой линии. Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты.

Так как в любом теле существуют микроскопические токи, создаваемые движением элементарных зарядов в атомах и молекулах, то магнитные свойства присущи в той или иной степени всем без исключения телам. Поэтому при рассмотрении магнитных свойств веществ введен общий собирательный термин - магнетик. Магнетик - термин, применяемый ко всем веществам при рассмотрении их магнитных свойств.

Отдельным атомам, молекулам и их ассоциациям присущи определенные магнитные свойства, определенный магнитный момент. Такие атомы, молекулы и их микроскопические ассоциации будем называть элементарными носителями магнитного момента Р_m.

Как известно, атомы, молекулы и их микроскопические ассоциации участвуют в тепловом движении, поэтому в отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты их, вообще говоря, не имеют определенной ориентации, т.е. собственное магнитное поле веществ в этих условиях равно нулю.

Если вещество внести в магнитное поле Н, созданное в вакууме, то магнитные моменты вещества будут стремиться расположится упорядоченно, вдоль направления этого поля Н. Сочетание тенденций, хаотического и упорядоченного в расположении магнитных, моментов приведет к тому, что возникнет какая-нибудь направленность в их расположении, т.е. в веществе возникнет собственное магнитное поле Н, отличное от нуля.

Результирующее магнитное поле в веществе, складывающееся из внешнего поля Н и собственного поля Н, принято характерезовать магнитной индукцией

В = Н + Н '. (11.2)

Единица магнитной индукции в системе СИ - тесла(1 Тл).

Связь между индукцией В и напряженностью поля в вакууме Н для изотропных веществ можно записать как:

, или

, (11.3)

где - абсолютная магнитная проницаемость вещества - величина измеряется в системе СИ в генри на метр (Гн / м);

₀ - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума), в системе СИ ₀ = 1,25610^-6 Гн/м;  - относительная магнитная проницаемость вещества - величина безразмерная.

2.2 Элементы земного магнетизма. Измерения магнитного поля Земли, регулярно проводимые во многих точках земной поверхности, дали результаты, позволяющие в первом приближении изображать магнитное поле Земли, как поле прямого магнита. Ось этого воображаемого магнита не совпадает с географической осью Земли. На рис.11.2 изображены силовые линии магнитного поля Земли. В северном полушарии силовые линии входят в Землю в точке, лежащей на 70 51` северной широты и 96 западной долготы. Эта точка называется южным магнитным полюсом Земли.

В южном полушарии точка схождения силовых линий земного магнитного поля лежит на 70 10 южной широты и 150 45 восточной долготы: она называется северным магнитным полюсом Земли. Заметим, что точки схождения силовых линий земного магнитного поля лежат не на самой поверхности Земли, а под ней. Расстояние между ними равно 2300 км, тогда как диаметр Земли - свыше 12000 км. В области магнитных плюсов силовые линии перпендикулярны к поверхности Земли, вектор магнитной индукции В имеет вертикальное направление (рис.11.3,а). В средних широтах магнитные силовые линии направлены под углом к поверхности Земли, т.е. вектор магнитной индукции В расположен здесь наклонно к горизонту (рис.11.3,б). В экваториальных областях земного шара силовые линии параллельны поверхности Земли; вектор В горизонтален (рис.11.3,в).

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити (рис.11.4) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии, т.е.по направлению вектора В магнитного поля Земли. В северном полушарии - северный конец стрелки N будет наклонен к Земле и стрелка составит с горизонтом (линия ГГ) "угол наклонения" .

Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по линии магнитной оси Земли. Следы пересечения этих плоскостей с поверхностью Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюсы не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от географического меридиана.

Угол между магнитным меридианом ММ и географическим меридианом СС называется магнитным склонением " " в данном месте(рис.11.4).

Вектор магнитной индукции поля Земли В можно разложить на две составляющие - горизонтальную В_г и вертикальную В_в (рис.11.4 и 11.5). Величины В_г, В_в,  и  называют элементами земного магнетизма. В каждой точке земной поверхности они имеют определенные значения. Эти величины в данном месте могут изменяться со временем, что свидетельствует об изменениях магнитного поля Земли. Зная величину В_г (или В_в) и угол наклонения , можно вычислить и величину В.

Изучение магнитного поля Земли - геомагнетизма имеет чрезвычайно важное практическое и научное значение. Геомагнитные методы поисков и исследований месторождения железной руды в настоящее время нашли широкое применение в практике.