Рис. 5. Принципиальная схема рабочей установки: ВСА – источник постоянного тока (выпрямитель);
R – реостат; П – переключатель; Т – тангенс-гальванометр; mA – миллиамперметр
Основу установки составляет тангенс-гальванометр, представляющий собой плоскую вертикальную катушку, в центре которой помещена магнитная стрелка, способная вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 7).
Магнитное поле Земли практически совпадает с полем гипотетического стержнеобразного магнита, помещенного в центре земного шара и наклонённого к оси вращения примерно на 12° (рис. 6).
В первом приближении силовые линии магнитного поля земного шара имеют вид, показанный на рис. 6, при этом у северного географического полюса находится южный магнитный полюс и наоборот. Геомагнитные полюса отстоят от географических на расстояние около 1200 км, причём с течением времени их положение несколько изменяется.
Рис. 6. Силовые линии магнитного поля Земли; γ магнитное наклонение
Природа земного магнетизма ещё до конца не выявлена, но установлено, что магнетизм Земли связан с процессами, проходящими в недрах самой планеты, например, с электрическими токами, циркулирующими внутри Земли.
Магнитное поле Земли защищает живую природу планеты от бомбардировки космическими частицами, образуя из них радиационные пояса. С магнетизмом Земли связаны также полярные сияния и др. явления, происходящие в околоземном пространстве.
Основными характеристиками магнитного поля Земли являются вектор магнитной индукции 
, который можно разложить на горизонтальную (
)и вертикальную (
)составляющие (рис. 6), а также магнитное склонение и магнитное наклонение.
Магнитным наклонением называется угол между вектором индукции магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью (рис. 6). На экваторе магнитное наклонение равно 0°, а на полюсах ±90°. Магнитное склонение это угол между географическим и магнитным меридианами в данной области земного шара.
Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра основано на следующих соображениях.
Если плоскость катушки совпадает с плоскостью магнитного меридиана, то при отсутствии тока в катушке магнитная стрелка располагается в направлении магнитного меридиана и угол α равен 0°(рис. 7).
Рис. 7. Схема тангенс-гальванометра: SN - направление магнитного меридиана Земли; 
– вектор горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли; I – ток в катушке тангенс-гальванометра; 
– вектор индукции магнитного поля катушки с током; 
– вектор индукции результирующего магнитного поля.
Из схемы, показанной на рис. 7, следует, что
,
откуда
 .
| (11) |
По формуле (8) индукция магнитного поля катушки радиусом R, с N витками и током I
 .
| (12) |
Подставив формулу (12) в отношение (11), получим
 .
| (13) |
Измерив угол α и силу тока I и зная радиус катушки R и число витков в ней N, можно по формуле (13) определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли, которая для данной географической широты будет величиной постоянной.
Уравнение (13) можно представить в таком виде:
 .
| (14) |
Величина
 .
| (15) |
называется постоянной тангенс-гальванометра. С учётом этой замены соотношение (14) принимает вид
 .
| (16) |
Таким образом, величина тока изменяется пропорционально тангенсу угла отклонения магнитной стрелки, поэтому рассматриваемый прибор и называется тангенс-гальванометром. Знание постоянной прибора C позволяет использовать тангенс-гальванометр в качестве амперметра.
Программа работы
- Измерить углы отклонения магнитной стрелки при различных значениях силы тока в катушке.
- Рассчитать горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.
- Определить постоянную тангенс-гальванометра.
Порядок работы
- Подключить тангенс-гальванометр к соответствующим клеммам установки, предварительно установив ручку переключателя в вертикальное положение (цепь разомкнута) и выведя движок реостата в крайнее левое положение.
- Установить плоскость катушки в плоскости магнитного меридиана, поворачивая тангенс-гальванометр до тех пор, пока конец магнитной стрелки не установится 0°.
- Замкнуть цепь переключателем П.
- Установить, перемещая движок реостата, ток в катушке 20 мА.
- Определить по круговой шкале тангенс-гальванометра угол α 1, соответствующий равновесному положению магнитной стрелки.
- Изменить переключателем П направление тока в катушке.
- Определить угол отклонения магнитной стрелки α 2, соответствующий другому направлению тока в катушке.
- Рассчитать средний угол отклонения магнитной стрелки
. - Вычислить по формуле (13) значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли .
- Определить по формуле (15) постоянную тангенс-гальванометра.
- Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерений и записать окончательный результат.
- Повторить действия, описанные в п.п. 4-11, при других значения силы тока в катушке.
- Сравнить полученные результаты и сделать выводы.
Кузнецов Владимир Николаевич
Методические указания к лабораторной работе №27
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ»
Подписано в печать 03.03.2008. Формат 60x84/16
Печать оперативная. Усл.п.л. 0,75. Уч.-изд. л. 1.
Тираж 100 экз.
Тольяттинский государственный университет
Тольятти, Белорусская, 14