Electrichestvo / 15-Лабораторная-15

Лабораторная работа № 15

ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

1. Цель работы: измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

2. Магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли подобно полю равномерно намагниченного шара. Полюса магнита располагаются недалеко от географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, на юге, – Северным магнитным полюсом. Дополнительно к этому часто используются обозначения: Южный геомагнитный полюс (Северный магнитный) и Северный геомагнитный полюс (Южный магнитный).

Через магнитные полюсы Земли можно провести линии больших кругов – магнитные меридианы, перпендикулярно к ним – линию большого круга – магнитный экватор и параллельно магнитному экватору линии малых кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты. Координаты магнитных полюсов: северного 78^о ю.ш., 111^о в.д. и южного 78^о с.ш., 69^о з.д. Магнитная ось наклонена относительно географической оси на 11^о и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюса и ось со временем изменяют свое положение.

Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие (рисунок 15.1). Характеристики магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах: полная индукция магнитного поля B₀ – от +62 до –73 мкТл, горизонтальная составляющая В_г – от 0 до 41 мкТл.

Рисунок 15.1 – Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации (в настоящее время поле уменьшается приблизительно на 1% за каждые 10 лет).

В действительности магнитное поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара, так как к нему добавляются поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий верхней части земной коры (в районе Курской магнитной аномалии В₀ достигает 200 мкТл), внеземные магнитные поля. На постоянное поле В₀ накладываются также более слабые (до 2%) переменные магнитные поля различной природы.

Разработанной теории геомагнитного поля в настоящее время не существует. Предполагается, что главным источником магнитного поля являются вихревые токи в жидком ядре Земли.

3. Описание экспериментальной установки.

В данной лабораторной работе для измерения магнитного поля Земли используется тангенс-буссоль, представляющая собой катушку, в центре которой располагается магнитная стрелка, способная вращаться вокруг вертикальной оси. На рисунке 15.2 иллюстрируется принцип работы тангенс-буссоли.

Плоская вертикальная катушка сориентирована так, что плоскость ее витков лежит параллельно магнитному меридиану N-S. После включения тока магнитная стрелка ориентируется вдоль результирующего поля , являющегося векторной суммой магнитных полей катушки с током _к и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли _г, то есть оказывается отклоненной на угол φ.

Рисунок 15.2 – Схема экспериментальной установки

Как видно из рисунка 15.2,

В_г=В_к/tg φ. (15.1)

Магнитное поле в центре круговой катушки рассчитывается по формуле

В_к=. (15.2)

Здесь I – ток в катушке, N – число витков, R – радиус катушки.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Установите катушку на штырь в основании установки. Установите в катушке съемный столик-пластину, на столик положите компас. Перед проведением опыта удалите постоянный магнит (если он находится вблизи установки) не менее чем на 1 м от катушки, и положите его плашмя. Убедитесь, что поле магнита не влияет на стрелку компаса.

4.2. Собрать схему, приведенную на рисунке 15.2. В качестве измерителя тока используется мультиметр портативный типа М830В, работающий в режиме вольтметра. Необходимые элементы схемы расположены на модуле МО3. Запишите значение эталонного сопротивления в таблицу 15.1.

4.3. Включите источник питания и мультиметр. Пропуская через катушку постоянный ток, получить отклонение стрелки на угол φ=35. Измерить необходимое для этого падение напряжения на резисторе R₀. По закону Ома рассчитать ток, протекающий в катушке. Результаты измерений внесите в таблицу 15.1.

Таблица 15.1 – Экспериментальные данные

φ, град	35	40	45	50	55
tg φ
U, В
I, мА
R0 = …….. Ом			Вг = …….. мкТл

4.4. Повторить измерения для четырех других значений угла φ.

4.4. Повторить измерения для четырех других значений угла φ.

4.5. Выключить приборы.

4.6. Построить график зависимости tg φ=f(I).

4.7. Из выражений (15.1-15.2) следует, что зависимость

(15.3)

является уравнением прямой. Здесь R=35,0±1,0 мм – средний радиус катушки, N=400±2 – число витков катушки. По угловому коэффициенту прямой рассчитайте горизонтальную составляющую магнитного поля Земли. Результаты расчета внести в таблицу 15.1. Погрешность эталонного сопротивления R₀ составляет 5% от номинального значения. Погрешность мультиметра – 1% от измеренной величины.

Контрольные вопросы

1. Магнитное поле и его характеристики.

2. Применение закона Био-Савара-Лапласа для расчета магнитной индукции на оси кругового тока.

3. Магнитное поле Земли.

4. Устройство и принцип работы тангенс-буссоли.

3