Краткая теория

В 1820 г. датский физик Х. Эрстед заметил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. В том же году французский физик А. Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, взаимодействуют при пропускании через них электрического тока. На основании этих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи. Тогда все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов.

Движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства - создают в нем магнитное поле. Это поле проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды (токи) действуют силы. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции. Количественной характеристикой поля служит вектор напряженности магнитного поля. Напряженность не зависит от магнитных свойств среды. В вакууме напряженность магнитного поля совпадает по направлению с магнитной индукцией.

Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром. Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом.

Закон Био - Савара - Лапласа для проводника с током , элемент которого создает в некоторой точке индукцию поля , записывается в виде:

(7.1)

где - вектор длины, совпадающий по направлению с током, - радиус-вектор, проведенный из элементаdl проводника в точку поля.

Магнитное поле в центре кругового проводника с током радиусом r.

, (7.2)

где α - угол между векторами и . Так как все элементы проводника перпендикулярны радиус-вектору (sinα =1) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково (r), l = 2 π r - длина окружности, μ₀=4π^.10^-7 Гн/м – магнитная постоянная. Тогда выражение (7.2), после интегрирования по поверхности, примет вид:

. (7.3)

Мы получили соотношение для определения магнитной индукции в центре кругового тока.

Земля представляет собой шаровой магнит, полюса которого располагаются недалеко (~300 км) от географических, только её «южный» магнитный полюс где-то в северном полушарии, около северного географического полюса, а «северный» - в южном. Тогда становится понятным, почему вследствие притяжения этими полюсами разноименных полюсов магнита этот последний устанавливается в направлении, близком к направлению меридиана (рис.7.2). Происхождение магнитного поля Земли связывают с тепловыми движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре (Динамо-эффект). В околоземном пространстве магнитное поле образует магнитную ловушку для заряженных частиц высоких энергий - радиационный пояс. Лишь в полярных областях небольшая часть этих частиц вторгается в верхние слои атмосферы и вызывает полярные сияния. Из других планет Солнечной системы лишь Юпитер и Сатурн собственными магнитными полями, достаточными для создания устойчивых планетарных магнитных ловушек. Через магнитные полюса можно провести магнитные меридианы, в первом приближении представляющие окружности, параллельные земной поверхности. Магнитная стрелка компаса в отсутствие искажающих масс магнетиков или токов, вращающаяся в горизонтальной плоскости устанавливается в плоскости магнитного меридиана под действием магнитного поля земли. При этом говорят о магнитном склонении - угле между направлениями географического и магнитного меридиана.

Кроме того, для характеристики вертикальной составляющей вводят магнитное наклонение - угол между направлением вектора напряженности магнитного поля и горизонтальной плоскостью.

Наклонение может быть южным или северным (южный или северный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла называют элементами земного магнетизма.

Магнитная стрелка устанавливается в плоскости магнитного меридиана под действием вектора индукции магнитного поля, но в силу установившихся традиций обычно говорят о векторе напряженности. Реально магнитное поле в современных условиях города представляет суперпозицию полей искусственного происхождения и искаженно большими массами ферромагнетиков (арматура, центральное отопление и т. д.)

В данной работе измерение горизонтальной составляющей земного магнитного поля основывается на принципе суперпозиции (наложения) магнитных полей.

При помощи компаса определяют направление земного горизонтального поля . Затем создают добавочное магнитное поле с известной напряженностью.

С помощью компаса определяют направление результирующего поля, которое по принципу суперпозиции будет равно векторной сумме этих полей:

.

Для простоты расчета добавочное магнитное поле создают перпендикулярным земному, тогда:

.

Поле кругового тока можно вычислить, зная ток I по формуле (7.3), учитывая, что В = μ μ₀ Н :

, (7.4)

где n - число витков, r - радиус тонкой катушки, отсюда

(7.5)

Схема установки

R_м– магазин сопротивления;

L– плата с катушкой;

М – мультиметр в режиме амперметра.