Определение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля

8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЁННОСТИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ

 

ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: 1. Тангенс – гальванометр

                                            2. Амперметр

                                            3. Реостат

                                            4. Аккумулятор

                                            5. Переключатель

                                            6. Соединительные провода.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определить горизонтальную составляющую напряжённости магнитного поля Земли.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Земной шар представляет собой  огромный постоянный магнит. Магнитное  поле Земли легко обнаружить  при помощи магнитной стрелки, свободно вращающейся вокруг вертикальной оси, проходящей через цент стрелки. Силовые линии магнитного  поля   Земли  лежат  в  плоскостях  магнитных меридианов.       Магнитным меридианом   называется

дуга  большого  круга, проходящего через магнитные полюса Земли.  Магнитные полюса  Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Между магнитной и географической осью имеется некоторый угол, называемый углом склонения.

     Силовой линией  магнитного поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряжённости .

Силовые линии земного магнитного поля в экваториальных районах Земли горизонтальны, в средних широтах – образуют с горизонтальной плоскостью некоторый угол, в полярной области – вертикальны.

 

В наших широтах вектор напряженности образует с горизонтальной плоскостью некоторый угол (угол наклонения). Вектор напряженности можно разложить на две составляющие: горизонтальную, которую будем обозначать и вертикальную  . (Рис. 2)
Магнитная стрелка, ось которой вертикальна (компас), устанавливается в плоскости магнитного меридиана под действием горизонтальной составляющей  . В данной работе необходимо определить горизонтальную составляющую земного магнитного поля с помощью прибора, называемого тангенс – гальванометром.

      Тангенс гальванометр представляет собой плоскую катушку большого диаметра. Плоскость катушки расположена вертикально. В центре катушки находится компас, расположенный горизонтально. Стрелка компаса может вращаться вокруг вертикальной оси. Отсчет угла поворота стрелки компаса производится по шкале.

      Расположим плоскость витков катушки в плоскости магнитного меридиана. На Рис.3 показано направление магнитного меридиана Земли, небольшие кружки – сечения одного витка горизонтальной плоскостью, проходящей через центр катушки, NS - магнитная стрелка. При отсутствие тока в катушке (1) на полюса магнитной стрелки действует только земное поле – , устанавливающее стрелку компаса вдоль магнитного меридиана. Если по витку пропустить ток (2), то стрелка будет находиться под действием двух полей: поле Земли  и поле тока.

Напряженность поля, создаваемого током обозначим  . Под действием двух полей магнитная стрелка отклоняется на угол , ориентируясь вдоль результирующей напряжённости .

      Из  Рис.3 видно, что                 .                         (1)

По закону Био – Саварра напряженность магнитного поля в центре кругового тока равна         ,                      (2)

где   I - сила тока, выраженная в амперах,

       R - радиус витка, выраженный в метрах,

       N - число витков катушки.

Подставив выражение (2) в (1), получим:

                                  ,                      (3)

откуда                         ,                            (4)

где  D – диаметр катушки.

      Измеряя ток, протекающий  через катушку, амперметром, отсчитывая угол отклонения стрелки, находим горизонтальную составляющую земного поля.

      Формулы (3) и (4) справедливы только в том случае, если катушка с током создает однородное магнитное поле в том месте, где расположена магнитная стрелка. Это условие приближенно выполняется, если радиус катушки велик по сравнению с размерами стрелки, а общая ширина намотки катушки очень мала.

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Ознакомится с прибором, собрать цепь по схеме (Рис. 4). Реостат и миллиамперметр необходимо поместить не ближе 1м от тангенс – гальванометра, так как их магнитное поле может оказать сильное влияние на магнитную стрелку.

2. При помощи установленных винтов добиться свободного вращения стрелки. Такая «свободная стрелка» установится по магнитному меридиану и будет сохранять это положение.
3. Поворачивая катушку относительно вертикальной оси и, наблюдая сверху, придать ей такое положение, при котором ее плоскость будет параллельна магнитной стрелке. Тогда плоскость катушки будет совмещена с плоскостью магнитного меридиана.
4. Замкнуть переключатель (П) в положение  А.
5. Замкнув ключ  К, установить реостат на самое большое сопротивление. Затем реостатом установить такую силу тока, чтобы угол отклонения стрелки находился в пределах 35 0 - 550, Записать в таблицу значения угла отклонения стрелки и показания миллиамперметра.
6. Не меняя параметров цепи, переключатель П перебросить в положение  В, изменив направление тока на противоположное, и снова измерить угол отклонения стрелки.
7. Аналогичные измерения проводят при различных значениях тока.
8. Подставив полученные данные в формулу  (4) провести вычисления горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.
9. Найти среднее значение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли.

10.Рассчитать относительную и  абсолютную погрешности измерения.

11.Сделать  вывод по проделанной работе.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

     1. Что называется  магнитным полем?

     2. Какие величины  характеризуют магнитное поле? Единицы  измерения   этих величин.

     3. Графическое изображение  магнитного поля постоянного магнита. Что называется силовой линией магнитного поля?

     4. Земля как постоянный магнит: проведите географическую и магнитную оси Земли, обозначьте полюса  и проведите силовые линии магнитного поля.

     5. Нарисуйте схему тангенс-гальванометра и объясните принцип его работы.

     6. Почему катушку  тангенс-гальванометра следует брать большого диаметра?

     7. Почему миллиамперметр  и реостат необходимо отодвигать на расстояние не меньше 1 м  от тангенс - гальванометра?

     7. Почему рекомендуется  брать угол отклонения стрелки  в пределах от 35о до 55о?

     8. Запишите закон  Био-Савара-Лапласа. Поясните его.

     9. Выведите формулу  расчета горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли.