Теоретическое введение к работе 3. 7

Магнитное поле – это особый вид материи. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды и, в частности, проводники с электрическим током, а также постоянные магниты. Магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом (постоянные магниты). А именно: магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током. Существует такое положение рамки с током, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю. Основной характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции . Магнитная индукция  – это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное магнитное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:

 

.                                      (3.61)

 

За направление вектора магнитной индукции  принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением вектора магнитной индукции. В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогичного электрическому заряду не обнаружено.

За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) – индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м², по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий момент сил, равный 1Н·м.

Магнитная индукция зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Влияние среды на магнитное поле характеризуется магнитной проницаемостью среды μ. Которая показывает, как изменяется магнитный поток в данном веществе по сравнению с магнитным потоком в вакууме. Наряду с магнитной индукцией существует и другая характеристика силового воздействия магнитного поля – напряженность магнитного поля , которая зависит только от токов, возбуждающих магнитное поле, и не зависит от свойств среды. Между магнитной индукцией В и напряженностью поля H существует зависимость:

 

B = μ_a × μ × H,                                (3.62)

 

где μ₀ = 4π · 10^–7 Гн/м – магнитная постоянная.

Единицей напряженности магнитного поля в СИ является А/м.

Для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции: если магнитное поле создано несколькими источниками, то вектор магнитной индукции (и вектор напряженности магнитного поля) в какой–либо точке этого поля равен векторной сумме магнитных индукций (векторов напряженности магнитного поля), созданных в этой точке каждым источником в отдельности:

 

 ;                           (3.63)

 

Наша планета Земля представляет собой огромный естественный магнит и окружена магнитным полем. Магнитное поле Земли приблизительно можно представить как поле шарового магнита. Силовые линии магнитного поля Земли выходят из северного полюса (расположенного вблизи южного географического полюса) и входят в южный магнитный полюс (расположенный вблизи северного географического).

Рисунок 3.16 – Магнитное поле Земли

 

Магнитное поле Земли характеризуется вектором напряженности . Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около (40 А/м) и сильно зависит от географического положения. Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: вертикальную Н_в и горизонтальную Н_г.

Метод определения Н_г основан на том, что магнитная стрелка, закрепленная на вертикальной оси и помещенная в однородное магнитное поле, всегда устанавливается в направлении магнитных силовых линий. В поле Земли она ориентируется в направлении магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в приборе для определения величины горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Н_З, который называется тангенс–гальванометр.

Тангенс–гальванометр состоит из вертикальной плоской катушки, сделанной из изолированной медной проволоки, намотанной на немагнитную рамку, расположенную вертикально. Рамка может поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр. В центре рамки горизонтально расположена магнитная стрелка, угол поворота которой измеряется с помощью круговой шкалы. В процессе работы гальванометр устанавливают так, чтобы магнитная стрелка совпала с плоскостью катушки. При замыкании электрической цепи в катушке возникает электрический ток, который создает магнитное поле на оси катушки, перпендикулярное магнитному полю Земли. Магнитная стрелка реагирует на векторную сумму двух полей и отклоняется на некоторый угол α.

Рисунок 3.17 – Принцип суперпозиции для магнитных полей Земли

и кругового тока

 

Если в катушке течет ток I, то в ее центре возникает магнитное поле, напряженность которого равна:

,                                      (3.64)

 

где n – число витков в катушке; R – радиус витков.

Как следует из рис. 3.13

                                (3.65)

 

Подставив значение H _Т  в формулу (3.65), получим рабочую формулу для вычисления горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли:

.                             (3.66)

 

Величины n и R являются постоянными и указаны на рабочем месте.

Рисунок 3.18 – Схема экспериментальной установки