Лабораторна робота № 46 визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля землі

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

МЕТА РОБОТИ: ознайомитись з елементами земного магнетизму та на основі принципу суперпозиції освоїти методику визначення напруженості магнітного поля.

ПРИЛАДИ: джерело постійного струму, круговий контур, амперметр, реостат, двополюсний ключ, компас.

Явище магнетизму відомо людям ще з давніх часів. Так, саме слово ”магніт” походить від Магнесії, міста у древній Малій Азії, де знаходили природний залізняк, що притягував залізні предмети. Одне з перших практичних застосувань магнетизму - це магнітна стрілка , яка вказувала напрями на полюси Землі ( компас ). З основними характеристиками магнітного поля, з елементами земного магнетизму та методикою експериментального визначення напруженості магнітного поля знайомить дана робота.

1. Магнітне поле та його характеристики

Поле нерухомих електричних зарядів - електростатичне поле. Якщо заряди рухаються , то крім електричного поля вони створюють магнітне поле. Силовою характеристикою магнітного поля є його індукція (вектор ). Так , на прямолінійний провідник довжиною L з струмом I в однорідному магнітному полі індукцією B діє сила Ампера (46.1), де  - кут між вектором та провідником L. При  = 90^о на провідник буде діяти максимальна сила F_max і модуль індукції магнітного поля визначиться, виразом (46.2):

(46.1)

(46.2)

Одиниця індукції магнітного поля 1 Тл(тесла). - це індукція такого однорідного магнітного поля в якому на перпендикулярно розташований до вектора індукції провідник довжиною 1м з струмом 1А діє сила 1Н.

Напрям вектора індукції магнітного поля можна визначити за допомогою магнітної стрілки, а саме :

За напрям вектора магнітної індукції беруть напрям від південного полюса S до північного N стрілки, яка вільно встановлюється в магнітному полі (рис. 46.1).

Графічно магнітне поле зображають за допомогою силових ліній, дотичні до яких в кожній точці поля співпадають з вектором індукції.

Д ля прямого провідника зі струмом його силові лінії являють собою концентричні кола і напрям таких силових ліній визначається за напрямом свердлика (правий гвинт), як вказано на рис. 46.2.

Магнітне поле може створюватись мікро-, та макрострумами. Так, магнітні властивості речовини зумовлені мікрострумами, гіпотезу про існування яких вперше висунув Ампер. Він допустив, що в речовині циркулюють молекулярні струми. Тепер відомо, що такі мікроструми в речовині зумовлені рухом електронів навколо ядер атомів. Макроструми - це струми в провідниках, які зумовлені впорядкованим рухом електричних зарядів.

Для характеристики магнітного поля макрострумів вводять допоміжну величину, яку називають напруженістю магнітного поля.

Напружність магнітного поля (позначається ) залежить тільки від сили струму в провіднику та його геометрії (форми, розміру) і розраховується в будь-якій точці за законом Біо-Савара-Лапласа (формула 46.3, рис. 46.3), де dH- напруженість магнітного поля, створеного елементом dL провідника з струмом силою І на віддалі r,  - кут між r та dL. Вектор дотичний до силової лінії поля (кола, центр якого лежить на продовжені елемента dL і напрям силової лінії знаходимо за правилом свердлика).

(46.3)

- коефіцієнт пропорційності в системі СІ.

Результуюча напруженість в точці Р дорівнює інтегральній векторній сумі напруженостей , створених всіма елементами провідника.

Так, після проведеного інтегрування для прямолінійного нескінченого провідника отримаємо вираз (46.4), де а - віддаль від провідника. Якщо провести розрахунки для кругового контуру (витка) радіуса R, то напруженість магнітного поля на віддалі h від центра по його вісі буде рівна (46.5).

, (46.4);

. (46.5)

Як випливає з отриманих виразів (46.4, 46.5) напруженість магнітного поля вимірюється в А/м і користуючись (46.4) можна дати наступне означення одиниці напруженості магнітного поля 1 А/м :

1 А/м - напруженість магнітного поля створеного прямим нескінченим провідником зі струмом 2 А на віддалі 1 м від даного провідника.

Розрахувавши напруженість магнітного поля , можна ”перейти” до його індукції . Такий перехід здійснюється за допомогою коефіцієнта _o, який називається магнітною сталою і він дорівнює 410^-7 Тлм/А. Цей коефіцієнт дорівнює чисельно силі, яка діє на провідник довжиною 1м зі струмом 1А в магнітному полі напруженістю 1 А/м. Можна довести, що 1 Тлм/А = 1 Гн/м і тому магнітну сталу записують, як _o = 410^-7 Гн/м. Ввівши магнітну сталу _o, зв'язок між індукції магнітного поля у вакуумі та напруженістю прийме вигляд (46.6).

(46.6)

Якщо ж середовище не вакуум , то результуюче поле визначається макро-, та мікрострумами. В такому випадку індукція магнітного поля буде рівна (46.7).

(46.7)

де  - магнітна проникність речовини, безрозмірна речовина, показує в скільки разів саме за рахунок мікрострумів в речовині індукція магнітного поля збільшується (або зменшується) в порівнянні з індукції магнітного поля у вакуумі.