Лабораторне заняття №6. Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра

1. Мета роботи

Ознайомитись з принципом дії тангенс-гальванометра та з елементами земного магнетизму. Визначити горизонтальну складову магнітного поля Землі.

2. Теоретичні відомості

Магнітне поле Землі складається з постійного магнітного поля, яке створюється магнетизмом земної кулі, та змінного поля, зумовленого електричними струмами, що протікають в земній атмосфері та в земній корі.

Змінне поле, як правило, не перевищує 1% від постійного поля. Розрізняють періодичні коливання магнітного поля (їхня періодичність зумовлена обертанням Землі та періодичністю сонячної активності) і неперіодичні коливання — магнітні збурення. Магнітні збурення тісно пов’язані з іоносферними збуреннями та полярними сяйвами. Джерело цих явищ — спалахи сонячної активності, які супроводжуються сонячною радіацією та викидом потоків заряджених частинок.

Постійне магнітне поле зумовлене тим, що Земля являє собою природний магніт, полюси якого розташовуються недалеко (?300 км) від географічних полюсів. Магнітні силові лінії починаються біля Південного географічного полюса і закінчуються біля Північного, тому магнітний полюс Землі, розташований на півдні, називається Північним магнітним, або Південним геомагнітним полюсом, а інший, той що знаходиться на Півночі - Південним магнітним, або Північним геомагнітним полюсом.

Через магнітні полюси Землі можна провести лінії великих кіл — магнітні меридіани, перпендикулярно до них — лінії малих кіл — магнітні паралелі. Таким чином, кожній точці на Землі будуть відповідати не тільки географічні, але й магнітні координати.

Якщо у якій-небудь точці Землі вільно підвісити магнітну стрілку (тобто підвісити за центр мас так, щоб стрілка могла повертатись і в горизонтальній і у вертикальній площинах), то вона встановиться у напрямку напруженості магнітного поля Землі в даній точці.

Магнітне поле Землі схоже на поле прямого магніту. Тому вектори напруженості цього поля на магнітних полюсах вертикальні, а на магнітному екваторі - горизонтальні. В довільній іншій точці простору вектор напруженості магнітного поля нахилений до площини горизонту, отже, вільно підвішена стрілка розташовується під якимось кутом до вертикалі і під якимось кутом до горизонтальної площини у цій точці Землі (рис. 1). Через неспівпадання магнітних та географічних полюсів Землі не співпадають і площини магнітного і географічного меридіанів, які проходять через дану точку земної поверхні.

Таким чином, положення вільно розташованої магнітної стрілки характеризується двома кутами — б та в, визначеними для кожної точки Землі.

Рис. 1. Рис. 2.

Магнітне схилення б — це кут між напрямками географічного та магнітного меридіанів (рис. 2). Розрізняють східне та західне схилення (північний полюс стрілки відхиляється відповідно вправо чи вліво від географічного меридіану).

Рис. 3.

Магнітний нахил в — це кут між напрямком напруженості магнітного поля та горизонтальною площиною (рис. 3). Нахил буває північний і південний (північний чи південний кінець стрілки нижче горизонтальної площини).

Ці два кути — схилення та нахил — називаються елементами земного магнетизму. Приклад: для Києва б= 6?28ґ (східне схилення для 2010 року) в= (північний нахил).

Встановлено, що напруженість магнітного поля має горизонтальну та вертикальну складові. Якщо магнітну стрілку закріпити на вертикальній осі, то вона встановиться в площині магнітного меридіану під дією горизонтальної складової магнітного поля Землі. Відмітимо, що магнітна стрілка або рамка із струмом встановиться в певному напрямку під дією вектора індукції магнітного поля, а не вектора напруженості. Але, оскільки у повітрі напруженості векторів магнітної індукції та напруженості магнітного поля співпадають і значення та відрізняються тільки постійним коефіцієнтом, то, згідно із встановленим традиціями, говорять зазвичай про вектор напруженості магнітного поля Землі.

3. Метод вимірювання

Величину горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі можна визначити наступним чином. Якщо за допомогою колового струму біля стрілки створити ще одне магнітне поле, то стрілка встановиться в напрямку рівнодійної обох магнітних полів. Так як поле колового струму неважко обчислити, знаючи величину струму, то горизонтальну складову земного магнітного поля можна визначити по куту відхилення стрілки та величині струму. Прилад, дія якого ґрунтується на вказаному принципі, називається тангенсгальванометр.

Опис приладу (тангенсгальванометра).

В центрі колового провідника поміщена на вістрі невелика магнітна стрілка. При проходженні струму по провіднику навколо нього виникає магнітне поле. Якщо радіус колового провідника не дуже перевищує розміри магнітної стрілки, то можна вважати, що стрілка знаходиться в однорідному магнітному полі.

Рис. 4.

Напруженість магнітного поля в центрі колового струму визначається за законом Біо-Савара-Лапласа:, де І - сила струму, R — радіус витка буссолі.

Для збільшення магнітного поля тангенс-гальванометра замість одного витка зі струмом використовують котушку із N витків, які щільно прилягають один до одного. Якщо товщина намотаного дроту менша за радіус витків, то можна вважати, що результуюча напруженість магнітного поля в центрі котушки.

Рис. 5.

Якщо контур гальванометра встановити в площині магнітного меридіану, то горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі HЗ та напруженість магнітного поля колового струму в центрі гальванометра виявляться перпендикулярні один до одного (рис. 5). Тоді.

(1).

• 4. Порядок виконання роботи
• 1. Встановити тангенс-гальванометр в площині магнітного меридіану Землі (в напрямку магнітної стрілки).
• 2. Зібрати схему за рис. 5 та під'єднати установку до джерела живлення.
• 3. Замкнути перемикач П та встановити певний струм за допомогою реостата R.
• 4. Виміряти кути відхилення стрілки при двох напрямках струму та знайти середнє значення кута. Напрямок струму змінювати за допомогою перемикача П.
• 5. Проробити кілька вимірювань при різних значеннях струму.
• 6. Обчислити:
  • — абсолютні похибки прямих вимірювань;
  • — відносні похибки непрямого вимірювання горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі HЗ за формулою:

— величини HЗ за формулою (1);

абсолютні похибки непрямого вимірювання за формулою:

7. Результати вимірювань та обчислень занести в таблицю:

№ з/п.	D, м.	?D, м.	I, А.	А.	град.	рад.		.	.

• 8. Результат записати у вигляді: … при =… % та порівняти отримані значення з табличними (9,5).
• 5. Контрольні запитання
• 1. Які є елементи земного магнетизму?
• 2. Сформулювати та записати закон Біо-Савара-Лапласа.
• 3. Як обчислюється напруженість магнітного поля колового струму.
• 4. Як пов’язані вектори індукції та напруженості магнітного поля?
• 5. Чому магнітна стрілка тангенс-гальванометра повинна бути малих розмірів?
• 6. При якому куті відхилення ц напруженість магнітного поля катушки тангенс-гальванометра дорівнює напруженості магнітного поля Землі?
• 6. Література
• 1. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2, § 39−45, М.:Наука, 1970.
• 2. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. Т.2, § 29, 30, 32, 33, 36, М.:Наука, 1969.