Контрольные вопросы

1. Из каких блоков состоит электронный осциллограф?

2. Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

3. Что называется чувствительностью осциллографа?

4. Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе?

5. Для каких целей может быть использован осциллограф в биолого-медицинских исследованиях?

6. Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследованного сигнала?

Литература

1. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1978.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1982. – Гл. 24, § 3. С. 279.

3. Лаврова И.В. Курс физики. – М., 1981. – § 54.

Лабораторная работа № 14

Определение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля земли

Цель работы: изучить элементы земного магнетизма. Научиться измерять горизонтальную составляющую вектора индукции магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-буссоль, выпрямитель, миллиамперметр, выключатель, переключатель двухполюсной.

Элементы земного магнетизма

Непосредственными наблюдениями на поверхности Земли установили, что вокруг земного шара существует магнитное поле, которое легко может быть обнаружено при помощи магнитной стрелки. Если подвесить стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться вокруг центра тяжести, то стрелка в любой точке поверхности земного шара стремится принять определенное положение в пространстве, не испытывая при этом замет­ных перемещений относительно земной поверхности.

Этот простейший опыт говорит о существовании магнитного поля вокруг Земли, которое в данной точке поверхности можно считать однородным. Однако в различных пунктах земной поверхности стрелка принимает различные положения, то есть магнитное поле при переходе из одного пункта в другой меняет свое направление, и, следовательно, по отношению ко всей поверхности Земли не является однородным.

Земля представляет собой большой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов. Магнитное поле Земли приближенно совпадает с магнитным полем диполя аб (рис.1), помещенного в центре Земли. Расчеты показывают, что магнит­ный момент Земли эквивалентен магнитному моменту стального ферромагнитного стержня длиной 4000 км и диаметром 200 км, намагниченного до насыщения вдоль оси.

X apaктepиcтикoй магнитного поля Земли служит вектор магнитной индукции . Для разложения вектора на составляющие обычно применяют прямоугольную систему координат, в которой одну из осей (х) ориентируют по направлению географического меридиана, а вторую (у) – по нaпpaвлeнию парал­лели. Положительным направлением оси х считается направле­ние к северу, а оси у – к востоку. Тогда третья ось (z) примет вертикальное направление, и за положительное направление ее считают направление сверху вниз.

Поместим начало координат в точку, где производится на­блюдение магнитного поля Земли. Тогда вектор займет в этой системе положение, указанное на рис.2. Составляющие этого вектора по осям х, у и z равны соответственно , и . Вектор называют горизонтальной составляющей, а – вертикальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли. Плоскость, в которой лежат векторы и , называется плоскостью магнитного меридиана. Угол между векторами и называется углом магнитного наклонения. Угол между векторами и называют углом магнитного склонения.

Элементами земного магнетизма являются: горизонтальная и вертикальная составляющие вектора индукции, углы магнит­ного склонения и наклонения.

Индукция магнитного поля Земли обычно невелика и по абсолютной величине составляет 5÷6·10^-5 Тл. Исключение составляют поля в отдельных районах магнитных аномалий, где индукция может достигать величины порядка 10^-4 Тл.

Несмотря на то, что распределение магнитного поля Земли детально изучено как с экспериментальной, так и с теоретиче­ской стороны, до настоящего времени вопрос о происхождении земного магнетизма остается неразрешенной проблемой. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирую­щими по поверхности ядра Земли, а отчасти с намагниченностью горных пород и токами в радиационных поясах.

Для измерения горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли используется тангенс-буссоль. Это прибор, состоящий из катушки большого диаметра, в центре которой расположена маленькая магнитная стрелка, способная поворачиваться вокруг вертикальной оси. На рис.3 показан общий вид тангенс-буссоли и электрическая схема цепи для проведения измерений.

Расположим плоскость витков катушки в плоскости магнитного меридиана Земли. Если по катушке радиуса r, состоящей из N витков, пропустить электрический ток I ампер, то индукцию магнитного поля в центре круга, где расположена стрелка, можно определить по формуле:

, (1)

где – магнитная постоянная.

Если размеры катушки больше размеров стрелки, то можно считать, что стрелка находится в однородном магнитном поле. Под действием поля Земли стрелка займет положение, совпадающее с направлением результирующего магнитного поля (рис.3). Угол  тем больше, чем больше величина тока I. На рис.3 видно, что

. (2)

Из уравнений (1) и (2) можно определить горизонтальную составляющую вектора индукции магнитного поля Земли:

. (3)