Визначення горизонтальної складової магнітного поля Землі.

 

ПРИЛАДИ: тангенс-гальванометр; випрямляч; міліамперметр; реостат; вимикач.

 

Магнітне поле – особливий вид матерії. Його неможливо звести до більш простих понять. Магнітне поле є носієм цілого ряду фізичних властивостей, головна з яких – дія сили на провідник зі струмом.

Навколо провідника зі струмом завжди з’являється магнітне поле. Графічно воно зображується за допомогою силових ліній, які на відміну від ліній електростатичного поля завжди замкнуті.

Земля є великим кульовим магнітом. В будь-якій точці простору який оточує Землю, і на її поверхні виявляється дія магнітних сил.

Існує дві основні теорії природи земного магнетизму. Перша розглядає Землю як велетенський статичний магніт, поле якого створено феромагнітними породами, які рівномірно розповсюджені в земній корі. Ця теорія має багато недоліків. Тому головною на цей час є теорія гідромагнітного динамо. За цією теорією Земля є велетенською динамо-машиною. У звичайній динамо-машині при русі ротора відносно статора виникає струм, частина якого подається на статор для підвищення його магнітного поля. В теорії геодинамо має місце аналогічний процес. Внутрішні шари рідкого ядра Землі обертаються швидше за зовнішні. Це є наслідком закону збереження моменту кількості руху mrw² = const де w - кутова швидкість обертання Землі, r - радіус, m - маса. Так як температура більша у центрі ядра, нагріта речовина підіймається, а більш холодна – опускається, опиняючись на відстані з меншим радіусом. Рідина у верхніх шарах починає рухатись більш повільно і, водночас, швидше в шарах ближчих до центра Землі. Таким чином внутрішні шари, які обертаються швидше інших, можна розглядати як аналог ротора.

Неоднорідне обертання рідини викликає індуковані струми, які створюють магнітне поле. Картину доповнюють численні вихри у рідинному ядрі. Першопочаткове, збуджуюче поле могло бути дуже малим.

Енергію геогідродинамо можуть надавати радіоактивні ізотопи, гравітація та прецесія земної вісі.

Розглянемо елементи земного магнетизму. Поблизу географічного Північного полюса ( Пн ) знаходиться південний магнітний полюс ( S ), а поблизу географічного Південного полюса ( Пд ) знаходиться північний магнітний полюс ( N ).

		N
	Пд

Рис.10.1 Силові лінії магнітного поля Землі.

Так як магнітні і географічні полюси Землі не співпадають, то магнітна стрілка показує географічний напрямок північ-південь тільки приблизно. Вертикальна площина в якій встановлюється магнітна стрілка має назву площини магнітного меридіану даного місця, а пряма по якій ця площина перетинається з горизонтальною площиною має назву магнітного меридіану. Іншим визначенням меридіану є таке: це умовна лінія, яка з’єднує Північний та Південний географічні полюси.

 

Рис.10.2 Магнітне схилення.

Аналогічно можна визначити географічний меридіан. Кут між напрямком магнітного та географічного меридіанів має назву магнітного схилення. Його прийнято позначати грецькою буквою j. Магнітне схилення змінюється в залежності від місцеположення на земній кулі

Магнітне схилення має назву західного або східного в залежності від того, до заходу (W) або до сходу (O) від площини географічного меридіану відхиляється північний полюс стрілки. Шкала виміру схилення – від 0⁰ до 180⁰ часто східне схилення відмічають знаком “+”, а західне – знаком “-“.

Лінії земного магнітного поля не є паралельними до поверхні Землі. Це означає, що магнітна індукція поля Землі не знаходиться у горизонтальній площині, а утворює з цією площиною деякий кут. Цей кут має назву магнітного нахилення a (рис.10.3).

 

 

Рис.10.3. Нахилення магнітної стрілки компаса.

 

В різних місцях Землі кут магнітного нахилення різний. Наприклад: на екваторі він дорівнює 0. По мірі віддалення від екватору цей кут збільшується.

Магнітне схилення та магнітне нахилення є наслідками того, що магнітна стрілка встановлюється вздовж лінії магнітного поля.

Горизонтальну складову магнітного поля Землі визначають за допомогою тангенс-гальванометра. Прилад являє собою круговий провідник з n витків радіусом r, які щільно прилягають один до одного в вертикальній площині. В центрі витків на підставці знаходиться магнітна стрілка, яка крутиться навколо вертикальної осі (компас). Якщо через провідник пропустити струм, то на стрілку будуть діяти два поля - магнітне поле Землі та магнітне поле кругового струму (рис. 10.4) .

Експериментальна установка (вид згори).

 

Рис 10.4 Магнітні поля у тангенс-гальванометрі.

Розміри стрілки значно менше розмірів витків тангенс-гальванометра, стрілка розташована в центрі витків, тому напруженість поля, яка створюється

струмом,

Н = nI / 2 r. (10.1)

Із рис. 10.4 видно, що

H = H₀ tgb. (10.2)

 

Якщо виключити з рівнянь (10.1) та (10.2) Н, отримаємо для Н₀

Н₀ = nI / 2tgb r. (10.3)

 

Для визначеного міста Землі та для даного приладу величина

 

I / tgb =С (10.4)

 

є сталою (визначений струм викликає відхилення на кут β) та називається сталою тангенс - гальванометра.

Тоді:

 

H₀ = nC / 2r. (10.5)

 

Формулу (10.4) можна записати у вигляді

 

I = Ctgb. (10.6)

 

Це означає, що стала С дорівнює струму, який тече по виткам приладу, коли кут відхилення стрілки β=45 ⁰. Робоча схема приладу зображена на рис. 10.5.

Рис.10.5 Експериментальна установка.

 

Завдання

1. Зібрати схему згідно рис.10.5

2. Повернути підставку тангенс-гальванометра, та встановити його витки по магнітному меридіану.

3. Увімкнути струм та, регулюючи реостатом його силу струму І, добитися відхилення стрілки на β=45⁰ відносно положення, яке було спочатку. Записати значення струму І.

4. Змінити напрямок струму у витках та повторити п.3, записати значення сили струму І, яке викликає відхилення стрілки.

5. Знайти середнє значення сили струму І _ср..

6. Виконати вимірювання не менше трьох раз, занести дані у таблицю:

 

Номер Вимірів	І	b	Ісер.	r,(см)	Н0	n,(шт)	Db
		45^0		7,5

 

7. Знайти Н₀ за формулою 10.3.

8.Обчислити відносну помилку вимірювань, використовуючи формулу:

.

 

Контрольні питання.

 

1. Що таке магнітне поле та яке його графічне зображення?

2. Описати магнітне поле Землі та привести його характеристики.

3. Як встановлюється намагнічена стрілка В у магнітному полі?

4. В чому є суть закону Біо-Савара?

5. Які одиниці сили струму та напруженості магнітного поля в Сі та СГСМ?

6. Розповісти про конструкцію та принцип роботи тангенс-гальванометра. В чому фізичний зміст сталої гальванометру.

7. Яким чином в цій лабораторній роботі підраховується величина ?

Література.

 

1. Калашников С.Г. Электричество. -М.:Наука, 1977, 8.

2. Элементарный учебник физики ТII M.:ШРАЙК,1995

 

Лабораторна робота №11.