ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
Цель работы: определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.
Приборы и материалы: тангенс-буссоль, миллиамперметр, реостат, источник постоянного тока.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
|
В первом приближении магнитное поле Земли аналогично полю, создаваемому однородно намагниченной сферой (шаром). Т.к. магнитные и географические полюса Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлением магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением a (рис.28). Величина его меняется от места к месту на земном шаре.
Магнитное склонение называют западным W или восточным Е в зависимости от того, к западу или востоку от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки (рис.28). Часто восточное Е склонение отмечают знаком (+), а западное W – знаком (-).
Вообще говоря, силовые линии магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Поскольку вектор напряженности магнитного поля Н направлен по касательной к силовой линии в данной точке, то, за исключением района магнитного экватора, он не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называют магнитным наклонением i.
| Рис. 28 |
Вектор напряженности Н в таком случае можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие – горизонтальную Н х и вертикальную Н у. В северном полушарии вертикальная составляющая магнитного поля направлена вниз, в южном полушарии – вверх.
Величина магнитного наклонения в разных местах Земли различна. Вблизи Санкт-Петербурга угол наклонения составляет около 71О и напряженность Нх магнитного поля ~13 А/м.
|
Напряженность геомагнитного поля Н убывает от магнитных полюсов к экватору и равна 55 – 33 А/м.
|
Таким образом три величины – склонение, наклонение и численное значение горизонтальной составляющей напряженности полностью характеризуют по величине и направлению магнитное поле Земли в данном месте. Эти три величины называют элементами земного магнитного поля.
Из элементов Земного магнитного поля на практике наиболее удобно измерять именно горизонтальную Нхсоставляющую напряженности (индукции).
В данной работе определение Нх (и соответственно Вх = mоНх) связано с исследованием поведения магнитной стрелки в магнитном поле Земли и магнитном поле, создаваемым круговым током.
С этой целью используется тангенс-буссоль – устройство, в котором магнитная стрелка на вертикальной оси устанавливается в центре кругового витка. При отсутствии тока в витке стрелка располагается вдоль магнитного меридиана Земли.
|
Поворотом витка тангенс-буссоли вокруг вертикальной оси можно совместить его плоскость с плоскостью магнитного меридиана.
При пропускании через виток тока I магнитная стрелка повернется на некоторый угол a. Объясняется это действием на стрелку двух полей – магнитного поля Земли Н х и поля кругового тока Н. В результате стрелка установится вдоль результирующего поля 
Из рисунка видно, что Нх = Н / tga.
Учитывая, что напряженность магнитного поля, создаваемого током I в центре кольца радиусом r, содержащего N витков, равна Н = NI / 2r, получим Нх = NI / 2r tga.
Для индукции магнитного поля В последняя формула примет вид
Вх = mоNI / 2r tga.
N = 160 витков;
r = 5×10-2 м;
Последняя формула используется для опытного определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Ее можно переписать в виде
Bx = CI /tga, где C =moN / 2r.
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Ознакомиться с электрической схемой установки: G – тангенс-буссоль, mA – миллиамперметр, R – реостат, К – переключатель направления тока, Е – источник тока.
Рис. 32
|
2. Установить плоскость катушки (витка) тангенс-буссоли в плоскости магнитного меридиана Земли. Определить начало отсчета на шкале тангенс-буссоли.
3. С разрешения преподавателя включить питание установки.
4. Установить реостатом R ток в катушке (значения тока I задаются преподавателем).
5. Как только стрелка компаса придет в равновесие, отсчитать по шкале тангенс-буссоли угол отклонение стрелки a 1.
6. Уменьшить ток I до нуля. Изменить с помощью ключа К направление тока и увеличить его до прежнего значения Измерить величину отклонения стрелки a2.
Переключение направления тока необходимо для уменьшения возможной ошибки из-за неточной установки плоскости катушки в плоскости земного меридиана.
7. Повторить измерения по пунктам 4 – 6.
8. Результаты измерений занести в таблицу.
9. Обесточить установку.
10. Для каждого значения тока I определить значение aср = (a1 + a2) / 2 и соответствующее ему значение tgaср и записать их в таблицу.
11. Вычислить значения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли для каждого измерения и записать их в таблицу.
12. Вычислить и записать среднее значение Вх. Вычислить среднеквадратичную погрешность определения Вх по формулам при косвенных измерениях.
При расчетах D I – инструментальная погрешность миллиамперметра (определяется по его классу точности), D r = 0,5 мм – погрешность определения радиуса катушки тангенс-буссоли, 
- погрешность определения угла.
13. Записать ответ в виде: Bх(гор) = (Bср 
DB), Тл
14. По среднему значению индукции магнитного поля Земли вычислить значение напряженности Hгор.
| № | I, мА | a1, град | a2, град | a средн, град | tg a средн, | B Х.гор., Тл |