ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет

Кафедра физики

Определение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли

Методические указания к лабораторной работе

Дисциплина “Физика” Для всех специальностей

Киров 2001

УДК 531(07) О-624

Составитель: кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Э.Н. Лузянина

Рецензент: к.т.н., доцент Красных А.А., каф. электротехники

Редактор Е.Г. Козвонина

Под. в печ.		Усл.печ.л. 0,56.
Бумага офсетная.		Печать матричная.
Зак..	Тир. 52.	Бесплатно.

__________________________________________________________________

610000, г. Киров, ул. Московская, 36 Оформление обложки, изготовление - ООО “Альфа-Полекс”, ПРИП ВятГТУ.

Лицензия ЛР № 020519 от 20.06.97 г.

©Вятский государственный технический университет, 2001

3

1. Магнитное поле Земли

Согласно современным представлениям, Земля состоит из ядра, мантии и коры. Кора и мантия являются твердыми оболочками Земли. Ядро подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое).

Земля – одна из планет Солнечной системы, обладающих заметным магнитным полем. Эти свойства Земли исстари используются для определения направления с помощью компаса. Северный конец магнитной стрелки компаса указывает приблизительно на географический север, но не точно. Это объясняется тем, что Земля большой магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, но не совпадает с ним, а смещен приблизительно на 1000 км. Вблизи Южного географического полюса находится северный магнитный полюс (его принято называть Южный геомагнитный полюс, так же как и находящийся вблизи Северного географического полюса южный магнитный полюс называют Северным геомагнитным). Южный геомагнитный полюс смещен относительно Южного географического полюса на 800 км и находится вблизи побережья Антарктиды.

На рис. 1 показаны силовые линии магнитного поля: они выходят из Южного геомагнитного полюса и, охватывая Землю, входят в Северный. Это так называемое главное или дипольное геомагнитное поле. Его конфигурация соответствует тому, как если бы внутри Земли располагался прямой магнит, обращенный северным концом на юг, а южным на север. Расчеты показывают, что такой магнит должен иметь весьма внушительные размеры: около 2000 км в длину и 250 км в диаметре. Этот магнит должен быть повернут на 11,5° относительно оси вращения Земли. Точки пересечения оси упомянутого магнита с поверхностью Земли и называются геомагнитными полюсами: Северный геомагнитный вблизи Северного географического, но по магнитным свойствам это южный полюс магнита, Южный геомагнитный вблизи Южного географического, но по магнитным свойствам это северный полюс магнита.

При такой конфигурации магнитного поля (рис. 1) вектор индукции ВТ (ин-

декс “Т” от слова TERRA-ЗЕМЛЯ) в каждой точке имеет свою ориентацию, будучи направленным по касательной к силовой линии. На полюсах он направлен вертикально, на экваторе горизонтально. В промежуточных точках – под углом к поверхности Земли.

Так как магнитное полеrЗемли неоднородно, то меняется не только направление, но и модуль вектора ВТ . Он принимает значение от 4 10-5 Тл на экваторе

до ~5,6 10-5 Тл на полюсах.

Особенностью магнитного поля Земли является его непостоянство во времени. Результаты палеомагнитных исследований дают наглядную картину изменения геомагнитного поля в различные геологические эпохи. Это возможно благодаря тому, что величина и направление магнитного поля фиксируется ферромагнитными минералами горных пород в виде остаточной намагниченности. Оказалось, что у некоторых горных пород остаточная намагниченность направлена в

4

сторону, противоположную современному полю, что говорит об обратной полярности геомагнитного поля во время образования этой горной породы. В настоящее время считается доказанным существование инверсий геомагнитного поля, т.е. изменение его полярности.

СГП 11,5 Магнитная ось Земли Ось вращения Земли

N ВТ ВН

	S М
			R
NМ					ВZ
						M

S

ЮГП

Рис. 1. Силовые линии однородно намагниченного Земного шара

Другой важный результат геомагнитных исследований заключается в том, что они показывают изменение положения геомагнитных полюсов относительно географических. Это явление называется миграцией полюсов.

Мы не имеем здесь возможности подробно останавливаться на многих явлениях, связанных с магнитным полем Земли. Те, кто заинтересуются этим вопросом, могут обратиться к популярным и научным изданиям [1,2,3,4,5 и др.].

Отметим лишь тот факт, что практическое значение магнитного поля Земли далеко не исчерпывается возможностью ориентации в пространстве по компасу. Оно играет огромную роль в сохранении жизни на Земле, ибо при его отсутствии мощный поток элементарных частиц из космоса обрушился бы на Землю. Магнитное поле является тем естественным щитом, который защищает все живое на Земле от губительного космического излучения.

Какова же природа магнитного поля Земли? Как известно, магнитные поля создаются электрическими токами. Согласно современным представлениям, главное геомагнитное поле Земли генерируется в жидком ядре. При наличии градиента температуры внутри Земли возникают конвективные движения жидких проводящих масс (ядро состоит, в основном, из железа). Если имеется какое-либо первичное магнитное поле (например, поле Солнца), то движение жидких проводящих масс в этом поле будет эквивалентно движению проводника в магнитном поле. В этом случае в проводнике возникает индукционный ток, который создает

5

свое собственное магнитное поле. Это и есть поле Земли. Такая теория получила название теории геомагнитного динамо.

Эта теория была сформулирована Я.И.Френкелем в 1947 г. Более строгая теория геомагнитного поля базируется на решении уравнений Максвелла и уравнений магнито-гидродинамики.

Остается обсудить еще один вопрос: Какие источники тепла поддерживают движения в ядре и поставляют энергию для сохранения электрических токов? В настоящее время предполагаются два возможных источника тепла: наличие радиоактивных элементов (энергия радиоактивного распада) и рост твердого внутреннего ядра (выделение теплоты кристаллизации).

2. Элементы земного магнетизма

Как показывает рис. 1, вектор ВТ индукции магнитного поля Земли направ-

лен под углом к поверхности Земли. Поэтому его можно представить через его проекции на оси координат x, y, z. Оси выбирают определенным образом. Ось х направленаr на север, ось у – на восток, ось z – вертикально вниз. Таким образом,

вектор ВТ можно представить в виде суммы трех составляющих

B = Bx + By + Bz ,

		Вертикаль	Север
		Вx	Вн	причем Bн = Bx + By есть горизонтальная со-
		D J	Восток	ставляющая вектора ВТ , а Brz – его вертикаль-
		Ву		ная составляющая. Горизонтальная состав-
				ляющая Bн лежит в плоскости магнитного ме-
			ВТ	ридиана. Теперь вектор ВТ	можно представить
	Вz			еще и так:	r
				BТ = Bн + Bz .
		Рис. 2
				Составляющие вектора ВТ	и углы между ними
	называются элементами земного магнетизма.
		Магнитным склонением называется угол D между Bн			и Bx . Итак, можно

сказать, что магнитным склонением называется угол между плоскостями географического и магнитного меридианов.

Магнитным наклонениемr I называется угол между горизонтальной плоскостью и вектором ВТ , т.е. наклон вектора индукции магнитного поля Земли к го-

ризонту. r

Итак, элементы земного магнетизма: компоненты вектора ВТ ( Bн, Bx , Bу, Brz ) и углы D и I (магнитное склонение и магнитное наклонение).

6

3. Приборы и методика определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Для определения горизонтальной составляющей Bн индукции магнитного

поля используется тангенс-гальванометр. Он представляет собой очень короткую катушку большого радиуса (R = 25 см), содержащую N = 20 витков медной проволоки. Плоскость катушки расположена вертикально и может поворачиваться. В центре катушки расположен компас.

Этот прибор состоит из маленькой магнитной стрелки, насажанной на вертикальную ось. Магнитная стрелка может вращаться на оси в горизонтальной плоскости под действием магнитного поля. Для измерения угла поворота стрелки служит картушка – круговая шкала, разделенная на градусы.

В тангенс гальванометре на стрелку компаса действует поле Земли, если нет тока в катушке, а при включении тока на стрелку действуют два поля: поле Земли и поле катушки.

Перед началом измерений плоскость катушки совмещают с магнитной стрелкой компаса, т.е. располагают ее в плоскости магнитного меридиана Земли.

На стрелку действует горизонтальная составляющая Bн вектора индукции гео-

магнитного поля. При включении тока в катушке на стрелку будет действовать также магнитное поле кругового тока, т.е. положение стрелки определяется результирующим вектором индукции двух магнитных полей: поля Земли и поля катушки.

Индукция поля кругового тока в центре определяется формулой

B =

μ0 IN

.

(1)

k

2R

Этот вектор перпендикулярен к плоскости катушки, а вектор Bн

горизонтальной

составляющей

индукции

гео-

В

магнитного поля лежит в плос-

Вн

Вн

кости катушки. Таким образом,

на стрелку действуют два вза-

сечение

ток в

витков

катушке

Вк

имно

перпендикулярных

маг-

катушки

нитных поля Bн и Bk . Стрелка

будет

ориентироваться по их

а) до включения

б) после включения

равнодействующей (рис. 3). По

компасу можно измерить угол α

тока в катушке

тока в катушке

поворота стрелки при включе-

Рис. 3

нии тока I и тогда

B

=

Bk

(2)

tgα

н