2. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли имеет постоянную составляющую (вклад 99%) и переменную (1%). Основное магнитное поле Земли по форме близко к полю естественного магнита или кругового тока. Его центр смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на 11,5º. Магнитные полюса отстоят от географических полюсов примерно на 300 км. В северном полушарии находится южный магнитный полюс, вблизи которого вектор магнитной индукции направлен вниз.

Силовые линии магнитного поля Земли показаны на рис. 5.2. Средняя величина магнитной индукции вблизи земной поверхности составляет около 5·10^-5 Тл.

Рис. 5.2. Схематичное изображение магнитных и географических полюсов и силовых линий магнитного поля Земли

Магнитная индукция в любой точке пространства направлена по касательной к силовым линиям. Вектор можно разложить на два составляющих вектора: – горизонтальную составляющую и – вертикальную составляющую (рис. 5.3). Горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции где  – угол между вектором магнитной индукции Земли и направлением горизонтали. При выполнении лабораторной работы поверхность стола можно считать горизонтальной, а магнитное поле Земли – однородным.

Рис. 5.3. Разложение вектора магнитной индукции магнитного поля Земли на горизонтальную и вертикальную составляющие

В магнитном поле Земли на магнитную стрелку с магнитным моментом действует вращающий момент сил , равный

. (5.9)

где

, . (5.10)

Вращающий момент сил стремится повернуть стрелку вокруг вертикальной оси до совпадения с направлением вектора , когда он станет равным нулю. Вращающий момент сил стремится повернуть стрелку вокруг горизонтальной оси. Но магнитная стрелка компаса может вращаться только вокруг вертикальной оси под действием момента , а действию момента препятствует опора стрелки.

Причиной возникновения магнитного поля Земли является конвективное движение электропроводящего вещества в жидком ядре планеты. Соответствующая теория гидромагнитного динамо удовлетворительно объясняет все известные экспериментальные факты, в том числе инверсии – изменение знака магнитного поля в течение 10³-10⁴ лет. Такие процессы в земной истории обнаружены при исследовании намагниченности осадочных горных пород, содержащих ферромагнитные минералы. Построены экспериментальные модели, состоящие из быстро вращающихся цилиндров в электропроводящей жидкости, которые самовозбуждались и генерировали собственное магнитное поле за счет энергии вращения. Однако недостаток сведений об источниках энергии, возбуждающих конвективное движение в ядре Земли не позволяет построить конкретную модель гидродинамического динамо для Земли.

3. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из тангенс-гальванометра (тангенс-буссоли¹), подсоединенного через реостат, миллиамперметр и ключ к источнику постоянного тока. В цепь подключен переключатель, позволяющий менять направление тока в катушке. Тангенс-гальванометр представляет собой катушку большого радиуса с достаточно большим числом витков изолированного провода. В центре катушки находится стрелка компаса. Если диаметр катушки достаточно велик, а размеры магнитной стрелки малы, можно считать, что стрелка находится в однородном магнитном поле катушки. Когда ток в катушке отсутствует, стрелка компаса показывает направление горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли . Плоскость катушки ориентируют по магнитной стрелке. После включения питания цепи на магнитную стрелку будет действовать суперпозиция (сумма) горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и индукции магнитного поля кругового тока, перпендикулярного (в данном случае) . В результате магнитная стрелка установится по направлению результирующей векторов индукции двух магнитных полей (рис.5.4)

. (5.11)

Рис. 5.4. Суперпозиция (сумма) горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и индукции магнитного поля кругового тока

Тангенс угла  отклонения магнитной стрелки от первоначального направления равен

. (5.12)

Это дает возможность определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

. (5.13)

где ₀ =410^-7 Гн/м, число витков катушки n =12, радиус катушки R= (120,05) см.