Описание установки и метода измерений

Рис. 5. Принципиальная схема рабочей установки: ВСА – источник постоянного тока (выпрямитель);

R – реостат; П – переключатель; Т – тангенс-гальванометр; mA – миллиамперметр

Основу установки составляет тангенс-гальванометр, представляющий собой плоскую вертикальную катушку, в центре которой помещена магнитная стрелка, способная вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 7).

Магнитное поле Земли практически совпадает с полем гипотетического стержнеобразного магнита, помещенного в центре земного шара и наклонённого к оси вращения примерно на 12° (рис. 6).

В первом приближении силовые линии магнитного поля земного шара имеют вид, показанный на рис. 6, при этом у северного географического полюса находится южный магнитный полюс и наоборот. Геомагнитные полюса отстоят от географических на расстояние около 1200 км, причём с течением времени их положение несколько изменяется.

Рис. 6. Силовые линии магнитного поля Земли; γ магнитное наклонение

Природа земного магнетизма ещё до конца не выявлена, но установлено, что магнетизм Земли связан с процессами, проходящими в недрах самой планеты, например, с электрическими токами, циркулирующими внутри Земли.

Магнитное поле Земли защищает живую природу планеты от бомбардировки космическими частицами, образуя из них радиационные пояса. С магнетизмом Земли связаны также полярные сияния и др. явления, происходящие в околоземном пространстве.

Основными характеристиками магнитного поля Земли являются вектор магнитной индукции , который можно разложить на горизонтальную ()и вертикальную ()составляющие (рис. 6), а также магнитное склонение и магнитное наклонение.

Магнитным наклонением называется угол между вектором индукции магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью (рис. 6). На экваторе магнитное наклонение равно 0°, а на полюсах ±90°. Магнитное склонение это угол между географическим и магнитным меридианами в данной области земного шара.

Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра основано на следующих соображениях.

Если плоскость катушки совпадает с плоскостью магнитного меридиана, то при отсутствии тока в катушке магнитная стрелка располагается в направлении магнитного меридиана и угол α равен 0°(рис. 7).

Рис. 7. Схема тангенс-гальванометра: SN - направление магнитного меридиана Земли;  – вектор горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли; I – ток в катушке тангенс-гальванометра;  – вектор индукции магнитного поля катушки с током;  – вектор индукции результирующего магнитного поля.

Из схемы, показанной на рис. 7, следует, что

,

откуда

.

(11)

По формуле (8) индукция магнитного поля катушки радиусом R, с N витками и током I

.

(12)

Подставив формулу (12) в отношение (11), получим

.

(13)

Измерив угол α и силу тока I и зная радиус катушки R и число витков в ней N, можно по формуле (13) определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли, которая для данной географической широты будет величиной постоянной.

Уравнение (13) можно представить в таком виде:

.

(14)

Величина

.

(15)

называется постоянной тангенс-гальванометра. С учётом этой замены соотношение (14) принимает вид

.

(16)

Таким образом, величина тока изменяется пропорционально тангенсу угла отклонения магнитной стрелки, поэтому рассматриваемый прибор и называется тангенс-гальванометром. Знание постоянной прибора C позволяет использовать тангенс-гальванометр в качестве амперметра.

Программа работы

1. Измерить углы отклонения магнитной стрелки при различных значениях силы тока в катушке.

2. Рассчитать горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

3. Определить постоянную тангенс-гальванометра.

Порядок работы

1. Подключить тангенс-гальванометр к соответствующим клеммам установки, предварительно установив ручку переключателя в вертикальное положение (цепь разомкнута) и выведя движок реостата в крайнее левое положение.

2. Установить плоскость катушки в плоскости магнитного меридиана, поворачивая тангенс-гальванометр до тех пор, пока конец магнитной стрелки не установится 0°.

3. Замкнуть цепь переключателем П.

4. Установить, перемещая движок реостата, ток в катушке 20 мА.

5. Определить по круговой шкале тангенс-гальванометра угол α ₁, соответствующий равновесному положению магнитной стрелки.

6. Изменить переключателем П направление тока в катушке.

7. Определить угол отклонения магнитной стрелки α ₂, соответствующий другому направлению тока в катушке.

8. Рассчитать средний угол отклонения магнитной стрелки .

9. Вычислить по формуле (13) значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли .

10. Определить по формуле (15) постоянную тангенс-гальванометра.

11. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерений и записать окончательный результат.

12. Повторить действия, описанные в п.п. 4-11, при других значения силы тока в катушке.

13. Сравнить полученные результаты и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1..Что представляет собой магнитное поле?

2.  Каковы источники магнитного поля?

3. Запишите определение силовой характеристики магнитного поля (вектора магнитной индукции).

4. В каких единицах системы СИ измеряется магнитная индукция?

5. Что называется силовой линией магнитного поля?

6. Как выглядит картина силовых линий магнитного поля:

а) прямого тока;

б) полосового магнита;

в) Земли?

7. Как формулируется закон Био-Савара-Лапласа?

8. Запишите формулу, определяющую:

А) силу Ампера;

Б)силу Лоренца;

В)закон Био-Савара-Лапласа;

Г) индукции магнитного поля прямого тока на расстоянии r от него.

9. Как определяется направление силы Лоренца?

10. Как определяется направление силы Ампера?