Лабораторна робота № 240

ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ НАПРУЖЕНОСТІ

МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Мета роботи - визначити горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі для Полтави.

Прилади та обладнання: тангенс-гальванометр, вольтметр, амперметр, реостат, перемикач напряму струму.

Теоретичні відомості

Дослідами Ейхенвальда, Ерстеда, Ампера було встановлено, що навколо рухомого заряду, провідника із струмом завжди існує магнітне поле, яке діє на рухомі електричні заряди, або струм. Дія магнітного поля на провідники зі струмом визначається законом Ампера: сила, яка діє на прямолінійний провідник із струмом, що перебуває в однорідному магнітному полі, прямо пропорційна силі струму I у провіднику, його довжині l, магнітній індукції B і синусу кута  між напрямом струму в провіднику і вектором B:

.

Для неоднорідного магнітного поля закон Ампера запишеться так:

.

Сила - векторна величина, тому в векторній формі закон Ампера має вигляд:

.

Напрям сили Ампера визначається за правилом лівої руки: якщо силові лінії магнітного поля входять у долоню, чотири пальці напрямлені за струмом, то тоді великий палець, відхилений на 90°, розміститься вздовж напряму сили, що діє на провідник.

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції. Магнітне поле графічно зображують за допомогою ліній магнітної індукції - ліній, дотична до яких у кожній точці збігається з напрямом вектора  у цих точках поля.

Напрям ліній індукції магнітного поля визначається за правилом свердлика: якщо вгвинчувати свердлик за напрямом струму в провіднику, то напрям обертання його рукоятки покаже також напрям ліній магнітної індукції.

Поряд з індукцією магнітного поля введена інша векторна характеристика - напруженість магнітного поля Н, яка вимірюється в амперах на метр (А/м). Напруженість пов'язана з індукцією магнітного поля співвідношенням

.

Де  - відносна магнітна проникність середовища;- магнітна стала (=4× Гн/м).

Індукція магнітного поля, що створюється ділянкою dl провідника із струмом I, визначається законом Біо-Саварра-Лапласа

   або у векторній формі

(інтегрування ведеться по всій довжині провідника). На підставі цього закону і принципу суперпозиції можна визначити напруженість магнітного поля, яке створюється провідником із струмом, користуючись таблицю 1.

Таблиця 1

Планета Земля має власне магнітне поле, яке утворює магнітну сферу радіусом 70...80 тис. км, що впливає на життя на Землі. Північний магнітний полюс Землі лежить поблизу від південного географічного полюсу, і навпаки. На екваторі магнітне поле горизонтальне, біля полюсів - вертикальне. В інших точках Земної поверхні магнітне поле напрямлене під кутом  до горизонту.

Проекція напруженості магнітного поля Землі на горизонтальну площину називається горизонтальною складовою магнітного поля Землі.Напрям цієї складової береться за напрям магнітного меридіану. Кут між магнітним і географічним меридіанами називається кутом схилення.

Магнітна стрілка, яка може обертатись навколо вертикальної осі, буде відхилятися в горизонтальній площині тільки під дією горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі і збігатися з площиною магнітного меридіана. Ця властивість магнітної стрілки вже більше ніж 2 тисячі років використовується для орієнтації за допомогою магнітного компаса. Для визначення горизонтальної складової магнітного поля Землі використовують тангенс-гальванометр.

Опис приладів та методу вимірювань

Тангенс-гальванометр (рис.2) складається з круглої вертикальної рамки радіуса R, на яку намотано n витків ізольованого дроту, через які проходить постійний струм. У центрі цієї рамки міститься компас.

                            Рисунок 2                                       Рисунок 3

При відсутності струму в рамці вісь стрілки компаса знаходиться у площині магнітного меридіана. Повертаючи рамку навколо вертикальної осі, можна встановити її паралельно площині магнітного меридіана; якщо після цього по рамці пропустити струм, то магнітна стрілка відхилиться на деякий кут  (рис. 3).

Пояснюється це тим, що на магнітну стрілку будуть діяти два поля: магнітне поле постійного струму в рамці  і горизонтальна складова магнітного поля Землі . Магнітна стрілка займе таке положення, при якому її напрям збігається з напрямом сумарного магнітного поля. Із рис. 3 видно, що  , оскільки площина рамки була розташована в площині магнітного меридіана (^).

Таким чином, =/,

де - напруженість магнітного поля колового струму рамки;

I- сила струму в рамці.

Щоб похибки вимірювань були найменшими внаслідок неточної установки рамки в площині магнітного меридіана, вимірювання треба проводити при двох протилежних напрямах струму у витках рамки.

Струм від джерела постійного струму і напруга на рамці регулюються реостатом, а напрям струму змінюється за допомогою двохпозиційного перемикача.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему і виставити движок потенціометра на найменшу напругу.

2. Встановити площину рамки у площині магнітного меридіана, а лімб тангенс-гальванометра повернути так, щоб поділка "0" збігалася з положенням магнітної стрілки.

3. Ввімкнути схему в мережу і встановити такий струм у рамці за допомогою потенціометра, щоб кут відхилення стрілки компаса був близьким до 25...30°.

4. Виміряти силу струму і кут  відхилення стрілок компаса. Дані вимірювань записати в таблицю 2.

5. За допомогою перемикача поміняти напрям струму, що проходить через рамку, виміряти кут відхилення стрілки . Результати вимірювань записати у таблицю 2.

6. Змінюючи силу струму (на 5... 10%), повторити пп. 4-5 для п'яти значень сили струму.

7. Записати у таблицю 2 значення радіуса R рамки і число витків у ній n:

Таблиця 2

8. 3а формулою обчислити горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі для Полтави.

9. Визначити середнє значення  і похибку її вимірювань.

Контрольні запитання

1. Назвати характеристики магнітного поля і встановити зв'язок між ними.

2. Сформулювати й записати математично закон Ампера.

3. Записати закон Біо-Саварра-Лапласа.

4. Як визначається напрям індукції магнітного поля та сили Ампера у будь-якій точці простору?

5. Чому дорівнює індукція магнітного поля прямолінійного і колового струму?