852

					12
Ng				А					...
				U ЗjZ
																			е/т
п/п		U"		UA				...
1		1,8		[.\1							...
2		2,2		1.\2					...
										...
3		2,5		[АЗ
																	ер.
																			' ----
					1.6. Контрольные вопросы

1). Расскажите об устройстве вакуумного диода и принципе его работы.

2). Что называется термоэлектронной эмиссией?

3). Что называется работой выхода электрона с поверхности

метаJпra, и чем она обусловлена?

4). Нарисуйте и объясните вольт-амперные характеристики

диода?

5). Почему для вакуумного диода не выполняется закон Ома?

6). Объясните физическую природу "закона степени трех

вторых".

7). Что такое ток насыщения, и как он зависит от темпе­

ратуры?

8). Объясните работу измерительной схемы.

Библиографический список

1. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, т.3, 1987.

-320 с. (§§ 60, 61).

2.Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, т.3, 1977.

-688 с. (§§ 101, 102).

http://www.mitht.ru/e-library

13

Лабораторная работа МЯ-2

Определение горизонтальной составляющей напряжён­

"ости reoмагнитного поля с помощью тангенс-гальванометра

2.1. Цель работы

Определение горизонтальной составляющей напряжён­

ности Но магнитного поля Земли в условиях выполнения

лабораторной работы.

Использование тангенс-гальванометра для измерения

токов.

2.2. Теоретические основы работы

Исследованиями магнитного поля Земли установлено,

что в первом приближении геомагнитное поле подобно поJПO диполя. Оно слагается из постоянного (устойчивого) поля,

создаваемого магнетизмом самого земного шара, и перемен­

ного ноля (или магнитных вариаций), обусловленного

электрическими токами в верхних слоях атмосферы и в

земной коре. Напряжённость переменного магнитного поля

не превышает, как правило, 1% постоянного поля. Посто­

янное поле различно в разных точках Земли и подвержено медленным (вековым) изменениям. Измерение магнитного поля Земли в прошлые геологические эпохи путём иссле­ дования магнитных свойств горных пород (палеомагнетизм)

показывает, что знак геомагнитного поля неоднократно

менялся, то есть направление магнитной оси Земли

несколько раз менялось на прямо противоположное.

Установлено, что в настоящее время южный магнитный полюс SM - место, где магнитные силовые линии верти­

кально входят в землю - располагается в северном полу­

шарии Земли (700 северной широты и 980 восточной долготы).

http://www.mitht.ru/e-library

14

с другой стороны, вблизи южного географического полюса (740 южной широты и 1460 заllадной долготы) магнитные

силовые линии выходят из Земли, то есть здесь располагается

северный магнитный полюс N М' ИЗ приведённого ясно, что

земная магнитная ось не только не совпадает с осью враще­

ния Земли, но даже не проходит через центр Земли. Тем не

менее общий вид наружного земного магнитного поля в первом приближении можно изобразить полем постоянного

магнита, ось которого пересекает поверхность земли на

широтах около 700 (рис.2.1).

Рис.2.1. Силовые линии магнитного поля Земли

Геомагнитное поле в каждой точке пространства опре­

деляется вектором напряжённости Й, величину и направ­

ление которого принято характеризовать тремя величинами:

горизонтальной составляющей Но' углом магнитного накло­

нения о (между направлением Н и плоскостью горизонта в

данном месте Земли (для Москвы 0-600) и углом магнитного

склонения <р.

Вертикальная плоскость, проведённая через направле­

ние, в котором устанавливается магнитная стрелка в данном

месте Земли, называется плоскостью маrнитного меридиана в данном месте. Эта плоскость составляет с плоскостью

http://www.mitht.ru/e-library

15

географического меридиана некоторый угол <9, который и

называется углом магнитного склонения <9 в данном месте.

Магнитная стрелка представляет собой маленький

прямоугольный постоянный маrnит с двумя полюсами S и

N на концах. Если стрелка обладает возможностью поворота

вокруг горизонтальной оси, перпеIЩИКУЛЯРНОЙ плоскости

магнитного меридиана, то она установится в общем случае

под некоторым углом к горизонту по направлению

напряжённости магнитного поля Земли в данном месте

(рис.2.2). Если же стрелка располагается горизонтально, то есть способна поворачиваться вокруг вертикальной оси, то

её северный конец N, окрашенный в чёрный цвет,

расположится по направлению к северному географическому полюсу Земли (иначе, южному магнитному полюсу), а

южный S, окрашенный в красный или белый цвет, - в

сторону южного полюса Земли (или северного магнитного

полюса).

Сила, с которой магнитное поле действует на северный (положительный) полюс магнитной стрелки, пропорцио­ нальна напряжённости магнитного поля:

F-Й

(2.1)

Напряжённость маГНИТНОI'О поля Й - вектор, имею­

щий в изотропных средах то же направление, что и вектор

магнитной индукции В, являющийся ОСНОВНОЙ силовой

характеристикой магнитного поля, но в J.1J.1o раз меньше по

модулю:

в

Н=-

J.1J.1.o

где J.1o = 4п·10-7 Гн/м - магнитная постоянная, J.1 - магнитная

проницаемость среды.

http://www.mitht.ru/e-library

16

Южный (отрицательный) полюс стрелки испытывает действие такой же по ВСЛИ'iине, но обратной по направлению силы. Магнитная стрелка, испытывая в магнитном поле

действие пары сил, устанавливается по полю.

Так как вектор напряжённости Н (или, соответствен­

но, вектор магнитной индукции В ) магнитного поля Земли

в большинстве мест земного шара направлен наклонно к

горизонту (СМ. рис. 2.2), то его можно разложить на две

составляющие - горизонтальную Но и вертикальную Ив.

Магнитная стрелка, вращающаяся около вертикальной оси,

устанавливается по направлению горизонтальной составля­

ющей магнитного поля Но.

-

H~

а)

б)

в)

Рис.2.2. Направление силовых линий магllllтного поля у nоверхности Земли:

а) на геомагнитных полюсах (SM и NM);

б) на средних широтах северного полушария;

в) I/а средl/ИХ широтах южного полушария.

Напряжённость магнитного поля Земли невелика. Она

изменяется от 27 А/м на экваторе до 52,5 А/м у полюсов. В

районах магнитных аномалий напряжённость значительно больше: так, в районе Курской магнитной аномалии вертикальная составляющая ИВ напряжёшюсти магнитного поля Земли в некоторых местах достигает 160 NM, а горизон­ тальная составляющая Но = 88 А/м.

http://www.mitht.ru/e-library

17

2.3.Описание установки и вывод расчёmой формулы

внастоящей работе для измерения горизонта.JlЬНОЙ

составляющей напряжённости Но магнитного поля Земли используется прибор, называемый тангенс-гальванометром,

который включается в цепь постоянного тока по схеме,

показанной на рис.2.3.

+

Рис. 2.3. Рабочая схелш: 1 - тангенс-гальванометр;

2 - источник постоянного тока; 3 - .миллиамnерметр;

4 - реостат для регулировки величины тока

(при использовании источника тока срегулятором

напряжения на выходе реостат 6 схему не 61СЛючается); 5 - ключ для в1СЛючеuия в цепи тока

и изменения направления тока на обратное.

Тангенс-гальванометр 1 представляет собой плоскую

круговую катушку А большого радиуса R, расположенную

в вертикальной плоскости. Концы катушки, содержащей n витков, выведены к двум крайним из трёх клемм В. Средняя

точка обмотки катушки соединена со средней клеммой. В центре О круговой катушки А расположена небольшая

магнитная стрелка С, способная поворачиваться вокруг

вертикальной оси. Положение магнитной стрелки опреде­

ляется лимбом Д.

http://www.mitht.ru/e-library

18

При отсутствии тока в катушке тангенс-гальванометра

на стрелку С действует только горизонтальная составляющая

напряжённости Но магнитного поля Земли, и стрелка уста­

навливается по направлению магнитного меридиана.

На рис. 2.4 показано сечение тангенс-гальванометра А горизонтальной плоскостью, провепённой через иентр О

тангенс-гальванометра.

S'".

Рuс.2.4. Силы, действующие на магнитную стрелку

в тангенс-гальванометре

Если при отсутствии тока в катушке А расположить

тангенс-гальванометр в плоскости магнитного меридиана

(см. рис. 2.4), для чего следует совместить плоскость круговой катушки А с плоскостью магнитного меридиана, повернув

http://www.mitht.ru/e-library

19

сё около вертикальной оси О, то магнитная стрелка С,

испытывая действие только горизонтальной составляющей

силы ро магнитного ноля Земли, установится по направ­

лению действия силы:

Если по круговой катушке А пропустить ток силы 1,

то каждый полюс стрелки будет испытывать также действие

силы F СО стороны магнитного поля напряжённостью Н,

созданного током 1:

Р-Н

Сила F направлена перпендикулярно плоскости

тангенс-гальванометра. Стрелка установится по направ.Jlению

результирующей силы Рр под некоторым уrлом а к плос­

кости тангенс-гальванометра, Т.е. к rшоскости магнитного

меридиана (см. рис. 2.4).

Так как при совмещении плоскости катушки с шюс­

костью меридиана, силы ро и F, а также горизонтальная составляющая Но напряжённости магнитного поля Земли

и поля кругового тока перпендикулярны, то

F	н	(2.2)
Fo :=: - ,	Но :=: -
tga	tga

Следовательно, определив величину напряжённости Н

поля тока 1 и величину угла отклонения а стрелки по лимбу

д, легко найти и напряжённость Но горизонтальной состав­

ляющей геомагнитного поля.

Поскольку геометрические размеры стрелки малы по

сравнению с радиусом R круговой катушки, то напряжён­ ность Н магнитного поля тока можно считать постоянной в той области, где находится стрелка, и равной напряжён­

ности в центре круговой катушки.

http://www.mitht.ru/e-library

20

Напряжённость магниrnого поля любого тока вычисля­

ется по закону Био-Савара-Лапласа:

	Н(г) = _1 Jdl sin е		(2.3)
	4n	г2

где dl - бесконечно малый элемент проводника с током J;

r - радиус-вектор, т.е. расстояние от рассматриваемого эле­

мента d\ до точки поля, где помешается магнитная стрелка, е - угол между радиус-вектором r и элементом проводника

dl.

Рассмотрим магнитное поле, созданное током 1, теку­

шим по тонкому проводу, имеющему форму окружности

радиуса R, который обычно называют круговым током.

--.. dH

Рис 2.5. Магнитное поле кругового тока 1.

Так как в случае кругового тока r = R и угол е = х/2,

то напряжённость В центре кругового тока равна

Н =_I_Jdl =_I_.2xR	(2.4)
4nR 2 '1 41tR 2

Врезультате получаем напряжённость магнитного поля

вцентре кругового тока

н=_1

2R

http://www.mitht.ru/e-library

2]

Для поля круговой катушки, имеющей n витков

	Н = In	(2.5)
	2R

Рещая уравнения (2.2) и (2.5), ПО;1УЧИМ расчетную формулу для определения горизонтальной составляющей

	магнитного поля Земли:
	н	_	In	(2.6)
	о	-	2Rtga

для повышения точности определения Но следует учесть

вероятность появления ошибки при измерениях угла а.

отклонения магнитной стрелки по следующим причинам:

1). ось вращения стрелки может несколько не совпадать

с центром кругового лимба, по которому производится отсчёт;

2). плоскость круговой катушки не достаточно точно

установлена по плоскости магнитного меридиана.

Чтобы избежать ошибок в расчёте НО по этим причи­

нам, необходимо измерять углы отклонений как северного

а, (а2 ), так и южного а,' (а2') полюсов магнитной стрелки

при одинаковых по величине, но противоположных по

направлению силах тока в круговой катушке.

Для получения значений Но, наиболее близких к

истинным, следует располагать тангенс-гальванометр по

возможности дальше от других частей схемы, а также от

железных и стальных масс, находящихся в помещении

лаборатории (батарей водяного отопления, водопроводных

труб и др.)

2.4. Приборы и принадлежности

Тангенс-гальванометр, источник тока, миллиамперметр на

150мА, переключатель, реостат, соединительные провода.

http://www.mitht.ru/e-library