Лабораторная работа № 8 Магнитные поля земли и постоянного магнита

Цель работы: измерить и рассчитать магнитные поля Земли и постоянного магнита.

Оборудование: ЛКЭ-1 (генератор сигналов функциональный ГСФ – 2, мультиметр М-830В), провода соединительные, компас, катушка на рейтере, съёмный столик-пластина, магнит на подставке.

Краткие теоретические сведения

Земной шар представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко (300 км) от географических полюсов. Тот магнитный полюс Земли, который располагается на севере, является Южным магнитным полюсом, а расположенный на юге, - Северным магнитным полюсом (рис. 8.1).

Через магнитные полюса Земли можно провести линии больших кругов – магнитные меридианы, перпендикулярно к ним линию большого круга – магнитный экватор, и параллельно последнему, линии малых кругов – магнитные параллели. Если в данной точке Земли свободно подвесить магнитную стрелку (т.е. подвесить за центр масс так, чтобы она могла поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях), то она установится по направлению индукции магнитного поля Земли. Опыт показал (рис.8.2), что магнитная стрелка устанавливается под углом к горизонту. Так же направлен и вектор индукции магнитного поля. Уголмежду направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке Земли и горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением. Из сказанного следует, что можно говорить о вертикальнойи горизонтальнойсоставляющих магнитного поля Земли:

(8.1)

Угол между направлениями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением (рис. 8.2б). Оба угла – склонение и наклонение, характеризуют элементы земного магнетизма. Например, для Москвы, а. И последнее, если вращающая магнитная стрелка закреплена на вертикальной оси (компас), то она, естественно, устанавливается в плоскости магнитного меридиана (под действием).

Порядок выполнения работы

1. Магнитное поле Земли.

1. Применяем метод тангенс-буссоли. Поставьте катушку на штырь верхней пластины разборного конденсатора модуля «Поле в веществе»;

2. Установите в катушке съемный столик-пластину. На столик положите компас;

3. Сориентируйте катушку так, чтобы стрелка компаса оказалась в плоскости катушки;

4. Пропуская через катушку постоянный ток, получите отклонение стрелки компаса на 45 для этого:

• используйте на генераторе ГСФ – 2 гнезда “ИПН” и “ОБЩ”;

• генератор поставить в режим усиления по току: тумблер «0» в положение «=», тумблер «20В/1А» в положение «1А»;

• источник постоянного напряжения «ИПН» установить на нуль;

5. Мультиметр использовать в режиме вольтметра с пределом 200 мВ;

6. Снять показания с вольтметра и рассчитать значение тока по формуле: , гдеR = 17,9 Ом – сопротивление катушки;

7. Внимание! Перед проведением опыта удалите постоянный магнит не менее, чем на 1 метр от катушки, и положите его плашмя. Убедитесь, что поле магнита не влияет на стрелку компаса;

8. Магнитное поле Земли рассчитайте по формуле: , гдеr = 35 мм – средний радиус катушки, N = 400 – число витков катушки;

9. Результаты запишите в виде:

Магнитное поле Земли:

В = _____ Тл.

2. Магнитное поле постоянного магнита.

1. Установите катушку со столиком и постоянный магнит на штыри в правой стороне каркаса (для ЛКЭ – 1) или катушку со столиком на штырь, а постоянный магнит на рельсе (для ЛКЭ – 2,6);

2. В катушке поместить компас;

3. На генераторе ручку «ИПН» источник постоянного напряжения немного отклонить от нулевого положения в положительную область;

4. На вольтметре использовать предел 2В (2000мВ);

5. Используя метод тангенс-буссоли п. I определить значения тока и индукцию В₁ поля на оси магнита и индукцию В₂ поля в плоскости, перпендикулярной этой оси.

• Для измерения индукции В₁ поля на оси магнита нужно плоскость катушки ориентировать параллельно рельсе, изменяя ток катушки ручкой «ИПН» и меняя расстояние между магнитом и катушкой добиться отклонения стрелки компаса от плоскости катушки на 45. Расстояние между центрами катушки и магнита измеряется линейкой.

• Для измерения индукции В₂ поля в плоскости магнита нужно поменять местами магнит и катушку (катушка на рельсе, а магнит на штыре), расположить магнит так, чтобы его плоскость была параллельно рельсе.

• Расчет индукции производится по формуле п. I.8.

6. Результаты запишите в виде:

Значения тока I₁ = ______А, I₂ = ______А.

Индукция магнитного поля В₁ = ______Тл, В₂ = ______Тл.

Расст. между катушкой и магнитом l₁ = ______см, l₂ = ______см.

3. Расчет параметров магнита.

1. Если известен магнитный момент магнита или замкнутого контура с током p_m, то индукции магнитного поля на расстоянии значительно большем его линейных размеров (по крайней мере, в несколько раз, т.е. когда магнит или контур можно считать диполем) на его оси В₁ и в плоскости контура или магнита В₂ определяется следующим образом:

, ,

где l – расстояние между центром магнита или контура и точкой, расположенной на оси или в плоскости этого контура, в которой определяется индукция.

2. Измерив индукцию магнитного поля на оси и в плоскости магнита (в п. II), находим магнитный момент магнита:

= ______Ам², = ______Ам².

В качестве значения магнитного момента p_m, примем их среднее значение:

= ______Ам².

3. Находим намагниченность магнита:

= _______А/м. ________Тл.

где V = 27,4 см³.

4. Сделайте вывод по проделанной работе.

5. Ответьте на следующие контрольные вопросы:

• Магнитное поле и его характеристики.

• Магнитное поле Земли.

• Магнитное наклонение и магнитное склонение.

• В чём заключается метод тангенс-буссоли?

• Используя теорему о циркуляции магнитного поля, вывести расчётную формулу для нахождения магнитной индукции поля Земли.

• Постоянные магниты. Их основные параметры.