Индукции магнитного поля земли

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Магнитное поле Земли состоит из постоянного поля, которое создается магнетизмом самого земного шара, и пере­менного поля, которое создается токами, текущими над поверхностью Земли и в земной коре; переменное поле не превышает 1%от посто­янного поля. Постоянное поле имеет различнуювеличину в раз­ных точках Земли и подвержено медленным (вековым) изменениям.

Вектор индукции геомагнитного поля определяется тре­мя компонентами: горизонтальной составляющей , магнитным скло­нением (углом между горизонтальной составляющей и плоскостью магнитного меридиана) и магнитным наклонением (углом между вектором и горизонтальной плоскостью).

В первом приближении геомагнитное поле подобно полю диполя (или равномерно намагниченного шара)с магнитным моментом , направленным под углом 11.5° к оси вращения Земли.

Точки на земной поверхности, в которых вектор имеет верти­кальное направление, называются магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс - точка, в которой сило­вые линии магнитного поля направлены вертикально вверх, и южный магнитный полюс - точка, в которой силовые линии направлены вертикально вниз. Северный магнитный полюс расположен в районе южного географического полюса в точке с координатами 70º10´ южной широты и 150º45´ восточной долготы; южный магнитный полюс расположен в районе северного географического полюса в точке с координатами 70º50´ северной широты и 96º западной долготы. Положение магнитных полюсов изменяется в течение времени.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется маг­нитной осью Земли; окружность, проведенная в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором; вектор на магнитном экваторе направлен горизонтально и равен по модулю около 4×10 Тл. Индукция магнитного поля у магнитных полюсов Земли имеет величину около 7×10 Тл. В некоторых районах наблюдается резкое увеличение индукции магнитного поля Земли (магнитные аномалии); например, в районе Курской магнитной аномалии B_з ≈2,4×10 Тл.

Величина горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли может быть измерена с помощью прибора, который называется тангенс-гальванометр.

Этот прибор представляет собой катушку радиуса R, с намотанными на ней N витками провода. В центре катушки, в горизонтальной плоскости, располагается магнитная стрелка. При отсутствии тока в катушке на магнитную стрелку воздействует только магнитное поле Земли. При этом магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Если по тангенс-гальванометру пропустить постоянный ток, то поя­вляется магнитное поле тока, характеризуемое вектором магнитной индукции , который в центре катушки направлен перпендикулярно плоскости проволочных витков (рис. 1). В этом случае на магнитную стрелку одновременно действуют два магнитных поля, характеризуемые векторами , соответственно.

Если расположить прибор таким образом, чтобы вектора магнитной индукции тока и поля Земли были взаимно перпендикулярны, то магнитная стрелка под воздействием двух полей, отклоняясь, займет такое положение, при котором ее ось будет совпадать с равнодействующей ()векторов и (рис. 1). Из прямоугольного треугольника имеем:

. (1)

Величина в центре кругового витка с током согласно закона Био-Савара-Лапласа равна:

, (2)

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

Подставив(2) в (1), получим:

. (3).

Из формулы (3) можно получить выражение для тока I, где тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален току, протекающего по катушке. Поэтому и прибор получил название тангенс-гальванометра.

Направление линий индукции устанавливается с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совместилась с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к линии индукции магнитного поля Земли. В северных широтах северный конец такой стрелки расположен ниже точки подвеса, ось стрелки с горизонтом составляет угол наклонения θ (на экваторе этот угол равен нулю).Вертикальная плоскость, проходящая через ось установившейся магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол α между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением.

Угол наклонения определяется с помощью прибора, называемого буссолью наклонения или инклинатором (рис. 2).

Главной частью инклинатора является магнитная стрелка наклонения C, которая может свободно вращаться около горизонтальной оси, перпендикулярной к плоскости вертикального круга D и проходящей через центр этого круга и центр тяжести стрелки.

Прежде чем приступить к измерению угла наклонения, инклинатор с помощью винтов К и уровня устанавливают так, чтобы плоскость круга Т была строго горизонтальной. С помощью горизонтальной буссоли устанавливают вертикальный круг (путем вращения вокруг вертикальной оси) по магнитному меридиану.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Для измерений компонент векто­ра применяются приборы, которые называются маг­нитометрами. В работе используется упрощенная модель электромаг­нитного магнитометра. Установка состоит из двух катушек Гельмголь­ца (катушка кругового сечения с намотанными на ней витками провода), которые расположены вертикально. Катушки Гельмгольца позволяют получить в центре этой системы однородное магнитное поле в достаточно большом пространстве. Используемые в работе катушки имеют следующие параметры: расстояние от плоскости катушки до центра симметрии установки R =117 мм, число витков N =40. Витки катушки устанавливаются параллельно магнитной стрелке с помощью визирной линии, которая представляет собой натяну­тую между стенками корпуса тонкую проволоку. В центре симметрии катушек Гельмгольца установле­на магнитная буссоль, по лимбу которой можно измерять углы откло­нения стрелки φ.

При включении тока магнитная стрелка отклоняется от плоскос­ти магнитного меридиана под действием индукции магнитного поля катушек , которая перпендикулярна горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (рис. 1). Для определения используется соотношение:

. (4)

ЗАДАНИЕ. 1.Определить величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Измерение провести для 4-х различных значений токов, проходящих через катушки.

2. Результаты вычислений усреднить.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14э