Лабораторная работа № 4 -1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА.

Цель работы: изучение элементов земного магнетизма, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Постановка задачи

Земля может быть представлена как огромный шаровой магнит, поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1. Магнитные полюса Земли располагаются вблизи (~300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, расположенный на юге, - Северным магнитным полюсом.

Через магнитные полюса проходят магнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию большого круга - магнитный экватор, параллельно которому будут располагаться магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.

S

A

Магнитный экватор

В

N

Рис.1. Магнитное поле вблизи поверхности Земли

В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление; в точках Земли, лежащих на магнитном экваторе, - горизонтальное (например, точка В на рис.1). (Вектор направлен по касательной к силовой линии в данной точке).

В любой другой точке Земли (например, точка А) напряженность магнитного поля можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие. .

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитометра или магнитной стрелки. Если в данной точке Земли магнитную стрелку свободно подвесить на нити за центр масс так, чтобы она могла свободно поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовой лини магнитного поля Земли в данной точке (вдоль вектора Н) (рис.2).

L

Рис.2.

В северном полушарии - южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некоторый угол . Угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной составляющей ее (или горизонтальной плоскостью) называется магнитным наклонением . (рис. 2 или на рис.3). На магнитном экваторе наклонение  равно нулю. Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана (рис.2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS (рис.1).

Рис.3.

Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некоторый угол  (рис.4). Угол между направлениями географического и магнитного меридианов (т. е. между их плоскостями) называется магнитным склонением  .

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Рис.4.

Значения углов склонения  и наклонения , а также горизонтальной составляющей земного магнетизма называются элементами земного магнетизма. Значения , , позволяют определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, т. е. под вержены суточным, годовым, вековым и др. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения - так называемые магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.

В настоящее время существует теория земного магнетизма, согласно которой наличие магнитного поля Земли объясняется электрическими токами, циркулирующими на больших глубинах в жидком ядре Земли. Однако происхождение магнитного поля Земли окончательно не выяснено.

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТР

Целью данной работы является определение одного из элементов земного магнетизма - горизонтальной составляющей (Н₀) магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр представляет собой две катушки Гельмгольца, намотанные на общем каркасе и расположенные вертикально в плоскости магнитного меридиана. Каркас укреплен на вращающейся подставке. Расстояние между катушками выбирается равным радиусу R каждой катушки. В центре каркаса на одинаковом расстоянии от обеих катушек(т. е. на расстоянии R/2) закреплена буссоль - алюминиевое кольцо (лимб), разделенное на 360⁰; в центре которого находится магнитная стрелка, насаженная на вертикальную ось. Если магнитная стрелка может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться только под действием горизонтальной составляющей ( ) магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана.

Тангенс-гальванометр изготовлен таким образом, что плоскость витков катушек всегда перпендикулярна плоскости, в которой вращается магнитная стрелка. Поворотом подставки тангенс-гальванометр можно установить таким образом, что магнитная стрелка установится против деления лимба 270⁰. При этом плоскость витков катушек будет совпадать с плоскостью магнитного меридиана, а направление стрелки будет соответствовать направлению юг-север и указывать направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (рис. 5).

Если по катушкам Гельмгольца пропустить ток I, то возникает магнитное поле и , создаваемые каждой катушкой в отдельности. Так как токи в катушках текут в одном направлении, то результирующая их будет равна (в скалярной форме Н_J= Н₁ + Н₂) и направлена вдоль оси катушек, т. е. перпендикулярно плоскости витков и ,следовательно, вектору . Таким образом, стрелка будет находиться под воздействием двух взаимно-перпендикулярных магнитных полей: магнитного поля Земли и магнитного поля тока в катушках (рис. 5).

Рис.5.

Магнитная стрелка установится в направлении равнодействующей , т. е. диагонали параллелограмма, построенного на векторах и .