Мгнитной индукции магнитного поля Земли Лабораторная установка и методика измерений
На рис.2 представлена схема установки для реализации первого этапа работы. Она позволяет измерить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли и, следовательно, горизонтальную составляющую индуктивности этого поля.
Установка включает: регулируемый источник питания ИП; миллиамперметр "мА" для измерения тока во внешней цепи источника питания; сопротивление R ограничивающее ток во внешней цепи источника питания; две проволочные катушки К с одинаковым направлением намотки, расположенные соосно на некотором расстоянии друг от друга; компас, укрепленный на оси катушек на среднем расстоянии между ними; переключатель направления тока в контуре катушек П; тумблер В для подключения установки к сети переменного тока 220 В.
Горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля НГ измеряется путем сравнения ее с напряженностью магнитного поля НК, возникающего при пропускании по катушкам постоянного электрического тока.
Свободно вращающаяся вокруг вертикальной
оси стрелка компаса при отсутствии тока
в катушках устанавливается вдоль
магнитного меридиана Земли. На рис. З
это направление совпадает с направлением
вектора
Г
. Если плоскость витков катушек
установить также вдоль линии магнитного
меридиана, то при пропускании тока через
катушки направление вектора магнитной
индукции вдоль их оси будет перпендикулярно
направлению магнитного меридиана
(направление
К
на рис. 3). Вследствие этого стрелка
компаса отклонится на некоторый угол
от исходного положения; на рис. 3 это
направление
.
Значения Г, К , и α в соответствии с рис. 3 связаны соотношением:
Г = К / tg α. (4)
Значение К может быть рассчитано через геометрические параметры катушек и силу тока через них по формуле:
К = I·N /d. (5)
где:
I - сила тока проходящего по проводам катушек;
N-число витков в катушках;
d -диаметр катушек.
Для данной лабораторной установки N = 760; d = 0,26 м,
Из (4) и (5) следует:
HГ = I·N /(d · tg α), (6)
Таким образом, значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли может быть вычислено по формуле (6).
Порядок выполнения 1 – го этапа работы
1. Нарисовать в рабочем журнале квадратную планшетку для регистрации на ней – при виде сверху – направлений магнитной стрелки и оси катушек. Зафиксировать направления сторон планшетки относительно плоскостей стен лабораторного помещения.. Отметить в центре планшетки точку М как изображение оси компаса.
2. Нанести на планшетку линию магнитного меридиана; она должна проходить через точку М параллельно направлению Юг → Север магнитной стрелки.
3. Повернуть катушки так, чтобы их ось совпала с направлением магнитного меридиана. Тумблером В включить источник питания ИП в сеть переменного тока 220 В.
4. При фиксированном ("первом") положении переключателя направления тока в катушках П регулятором источника питания установить значение тока через катушки равным 2 мА. Зарегистрировать в таблице 1 значение тока и угла отклонения стрелки компаса от направления магнитного меридиана – α1. Нанести на планшетку новое направление стрелки компаса.
5. Изменить направление тока в катушках на противоположное; для этого переключатель П зафиксировать во "втором" положении. Зарегистрировать в таблице 1 значение угла отклонения стрелки компаса от направления магнитного меридиана – α2. Нанести на планшетку новое направление стрелки компаса.
6 – 9. Повторить операции по пунктам 4, 5, последовательно устанавливая значения тока 4 мА, 6 мА, 8 мА, 10 мА.
10. После окончания измерений установить нулевое значение тока катушек и отключить установку от сети переменного тока.
11. Для каждого значения силы тока вычислить и зафиксировать в таблице 1 средний угол отклонения стрелки компаса αср как среднеарифметическое значение модулей углов α1 и α2.
12. Для каждого значения силы тока рассчитаь по формуле (5) значения напряженности магнитного поля НК катушек; результаты зафиксировать в таблице 1.
13. Для каждого значения силы тока рассчитать по формуле (6) значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли HГ . Результаты занести в таблицу 1.
14. По совокупности результатов 5 - ти опытов вычислить среднее значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли (HГ)ср и рассчитать абсолютную погрешность измерения этой величины Δ, HГ)ср. По формуле (2) вычислить среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (ВГ)ср. Рассчитать относительную погрешность измерения (HГ)ср. Это значение приписать относительной погрешности измерения (ВГ)ср – величине δ(ВГ)ср.
Таблица 1
№ опыта |
I |
α1 |
α2 |
HК |
HГ |
Ед. изм. |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
Зада
Этап 2. Измерение удельного заряда электрона с использованием значения горизонтальной составляющей индуктивности магнитного поля Земли