Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля

Землі.

Прилади та приладдя: тангенс-гальванометр, міліамперметр на 25 мА, джерело постійного струму, двополюсний перемикач, масштабна лінійка, реостат на 200 Ом.

Мета роботи: засвоїти один з методів вимірювання напруженості магнітного поля.

 

Коротка теорія та метод вимірювань

 

Земля являє собою величезний магніт, полюси якого розміщені біля географічних полюсів: біля північного географічного – південний магнітний полюс S, а біля південного географічного – північний магнітний полюс N. Силові лінії магнітного поля Землі поблизу екватора спрямовані горизонтально, а біля магнітних полюсів їх напрямок майже вертикальний. В інших точках земної поверхні вони йдуть під деяким кутом до горизонту. Вектор напруженості магнітного поля в довільній точці спрямований по дотичній до силової лінії. Величину проекції напруженості земного магнітного поля Н_з на горизонтальну площину називають горизонтальною складовою напруженості магнітного поля Землі Н. Напрямок цієї складової приймається за спрямованість магнітного меридіану, а вертикальна площина, що проходить через нього, називається площиною магнітного меридіану. Ще зовсім недавно вважали, що точне значення величин, що характеризують магнітне поле Землі, необхідне тільки в практиці водіння кораблів. Проте дослідження останніх років довели, що магнітне поле Землі впливає і на живі організми. Тому вміння визначити магнітне поле Землі стає необхідним і при розв’язані практичних задач біологічних наук.

В даній роботі проводиться вимірювання тільки горизонтальної складової напруженості поля Землі із застосуванням тангенс-гальванометра.
Тангенс-гальванометр являє собою плоску вертикальну котушку радіусом r з відомим числом витків n=180. В центрі котушки в горизонтальній площині розміщено компас. Магнітна стрілка компасу у відсутність струму в котушці встановлюється по магнітному меридіану, тому що на неї діє тільки сила магнітного поля Землі. Поворотом котушки навколо вертикальної осі можна добитись суміщення площин котушки і магнітного меридіану. Якщо в цьому положенні котушки пропускати через неї постійний струм, то її магнітне поле, згідно з правилом правого свердлика, буде перпендикулярним до магнітного поля Землі і складеться з ним. Стрілка повернеться на деякий кут α. На магнітну стрілку діє два взаємно перпендикулярних поля, а отже, і дві сили, що відповідні горизонтальній складовій напруженості поля Землі Н та магнітному полю котушки зі струмом Н_T, як це показано на рис.1. Під дією цих полів магнітна стрілка встановиться за напрямком їх рівнодіючої.

Із рис.1 впливає, що tg α = Н_T /Н, або

Н = Н_T / tg α. (1)

Величина напруженості магнітного поля, створюваного в центрі колового витка зі струмом, обчислюється за співвідношенням, яке випливає із закону Біо-Савара-Лапласа: Н^/_T = I/2 r, де I - сила струму у виткові (ампери); r - радіус витка (метри). Котушка має n витків, тому напруженість її поля в n разів більша

Н_T = H^/_T n = I n /2 r. (2)

Підставивши значення Н_T із (2) в (1), одержимо робочу формулу

Н = I n /2r tgα. (3)

Напруженість магнітного поля в системі СІ вимірюється в амперах на метр (А/м).

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть електричне коло за схемою (рис.2). При цьому тангенс-гальванометр встановлюйте якомога далі від інших приладів та феромагнітних матеріалів, щоб уникнути їх впливу на магнітну стрілку.

2. Повертаючи тангенс-гальванометр, встановіть площину котушки в площині магнітного меридіану. Повертаючи шкалу компасу сумістіть її нульову поділку з північним кінцем полюсу стрілки.

3. Встановіть повзунок потенціометра в положення, що відповідає мінімальній напрузі, яка знімається з нього. Переміщуючи повзунок потенціометра в бік збільшення напруги, підберіть такий струм у котушці, щоб відхилення магнітної стрілки було не менше 10-20˚. Коли стрілка компасу прийде в рівновагу, відлікуйте по шкалі кут відхилення стрілки α₁ і запишіть силу струму I.

4. Зберігаючи силу струму I, змініть перемикачем його напрямок на протилежний і виміряйте величину відхилення стрілки в протилежний бік (α₂). За кутами α₁ і α₂ знайдіть середнє значення кута відхилення α.

5 Змініть положення повзунка на потенціометрі в бік збільшення напруги і виміряйте відхилення стрілки при двох збільшених значеннях струму у котушці.

6. Виміряйте міліметровою лінійкою середній радіус витків котушки r.

7. Підставляючи послідовно середні значення α і I в формулу (3), знайдіть три значення Н.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в табл.1 і знайдіть похибки вимірювань.

У звіті наведіть зразок розрахунків.

Таблиця 1.

№	I	α1	α2	tg α	Hi	ΔHi	ΔHi^2
Середні значення

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Які властивості магнітного поля Землі?

2. Які Вам відомі гіпотези про походження магнітного поля Землі?

3. Чому магнітна стрілка тангенс-гальванометра має малі розміри?

4. Чому вимірювання найліпше проводити при кутах відхилення, близьких до 45˚?

 

 

Лабораторна робота № 33.