Geum.ru

Методическое пособие к лабораторной работе. Определение горизонтальной составляющей

Вид материалаМетодическое пособие

Содержание


Описание установки.
Подобный материал:
ИГЭУ. Кафедра физики. 2007 г.


М.В. Дмитриев.

Методическое пособие к лабораторной работе.


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ


Принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр постоянного тока, реостат, источник постоянного тока на 12 вольт.


Земля представляет собою огромный магнит, поле которого до расстояний равных трем земным радиусам над поверхностью планеты приблизительно соответствует полю однородно намагниченного шара с напряженностью 55,7 А/м у магнитных полюсов и 33,4 А/м на магнитном экваторе. На расстояниях более трех земных радиусов магнитное поле имеет более сложное строение. Область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром), называется магнитосферой Земли. С дневной стороны магнитосфера простирается до 8 - 14 земных радиусов, с ночной стороны — вытянута, образуя т. н. магнитный хвост длиной несколько сотен земных радиусов (рис.1). Внешняя граница магнитосферы называется магнитопаузой. В магнитосфере находятся радиационные пояса Земли.



Рис. 1


Магнитное поле Земли имеет постоянную составляющую – основное поле (вклад его ~ 99%) и переменную (~ 1%). Основное поле испытывает вековые вариации, неодинаковые на всём земном шаре. В местах наиболее интенсивного векового хода (магнитные аномалии) вариации достигают 150γ (гамма) в год (1γ = 10-5э, 1э = 103/4π А/м). Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2° в год и изменение величины и направления магнитного момента Земли со скоростью ~ 20 γ в год. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом ~ 1200 лет. Переменная составляющая вызывается рядом причин: циклическим изменением солнечной активности, орбитальным и вращательным движениями Земли, процессами в ее недрах и др. Из-за вековых вариаций и недостаточной изученности геомагнитного поля на больших пространствах (океанах и полярных областях) возникает необходимость заново составлять магнитные карты. С этой целью проводятся мировые магнитные съёмки на суше, в океанах, в воздушном и космическом пространстве. Изучение магнитного поля Земли и составление карт всех его элементов играет важную роль для морской и воздушной навигации, в геодезии, маркшейдерском деле.

Напряженность магнитного поля как вектор направлена по касательной к силовой линии и составляет с поверхностью планеты некоторый угол, называемый углом наклонения. Изменяется этот угол от нуля на магнитном экваторе до 900 на магнитном полюсе. Проекции силовых линий геомагнитного поля на поверхность планеты называются магнитными меридианами. Эти сложные кривые сходятся в северном и южном магнитных полюсах, которые не совпадают с географическими полюсами (координаты северного магнитного полюса на 1970: долгота - 101,5° западной долготы, широта - 75,7° северной широты; южного магнитного полюса: долгота - 140,3° восточной долготы, широта - 65,5° южной широты). Угол между плоскостями магнитного и географического меридианов называется углом склонения.

Направление магнитного меридиана – горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли в точке наблюдения, определяется с помощью магнитной стрелки, подвешенной на тонкой нити, плавающей на поплавке на поверхности жидкости, или же свободно вращающейся на острие вертикально установленной иглы. Стрелка устанавливается вдоль меридиана. Этот способ определения направления был известен в Китае более 2000 лет назад. В составе тангенс-гальванометра эта же стрелка служит для измерения величины напряженности магнитного поля. Суть измерения заключается в следующем. Если с помощью какого-либо устройства создать стороннее магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана, то магнитная стрелка под действием земного Hз и стороннего Hс полей займет новое положение, направленное вдоль результирующего поля Hр, отклонившись от прежнего положения на некоторый угол α (рис.2). По значению напряженности стороннего поля и углу отклонения стрелки определяется напряженность магнитного поля Земли:


. (1)


В месте расположение магнитной стрелки поле Земли однородно с высокой точностью; однородным должно быть и стороннее магнитное поле. В тангенс- гальвано-




Рис. 2 Рис. 3


метре однородное магнитное поле создают с помощью катушек Гельмгольца. В идеальном случае катушки представляют собой два одинаковых кольцевых витка, располагающихся на одной оси параллельно друг другу на расстоянии радиуса витка.


Обычно же катушки состоят из некоторого числа витков изолированного медного провода, причем толщина катушек должна быть много меньше их радиуса. Располагаются катушки на расстоянии друг от друга близком к радиусу катушки. Поле в пространстве между катушками рассчитывается по закону Био-Савара-Лапласа. Для точки, лежащей на оси катушек в центре симметрии, расчет приводит к формуле


, (2)


где: N – количество витков в одной катушке; R – радиус витков (радиус катушки) (м); I – ток, текущий по виткам катушки (А); h – расстояние между катушками (м), близкое по величине к радиусу катушки. На рис. 3 представлены силовые и потенциальные линии в пространстве между катушками. Поле практически однородно в большой области пространства между катушками и напряженность поля в центре такой системы отличается от напряженности поля, создаваемого на расстоянии 0,5 R от центра вдоль оси, примерно на 0,5%.

Описание установки. Два тонких металлических кольца из неферромагнитного материала крепятся на платформе из текстолита параллельно друг другу. В них уложены витки медного провода. Диаметр катушек и расстояние между ними, необходимые для расчета напряженности стороннего поля, указаны на платформе. Магнитная стрелка и шкала для измерения угла ее поворота располагаются между кольцами в центре симметрии системы. На платформе располагаются выключатели и клеммы для подключения питания напряжением 12 вольт. Ток через катушки изменяется с помощью реостата и измеряется амперметром постоянного тока. В лаборатории тангенс-гальванометр располагают в таком месте, чтобы он был максимально удален от стен здания, в которых содержится стальная арматура, а также от столов и приборов, содержащих стальные конструкции или какие-либо другие ферромагнитные материалы, искажающие своим присутствием магнитное поле Земли.

Измерения. 1. Когда катушки обесточены, магнитная стрелка устанавливается в плоскости магнитного меридиана Земли. Платформу тангенс-гальванометра поворачивают вокруг вертикальной оси так, чтобы плоскости катушек стали параллельны магнитной стрелке, т.е. плоскости магнитного меридиана.

2. Электрическая цепь собирается по схеме, представленной на рисунке 4. Выключатель К1 служит для включения-выключения питания, переключателем К2 включается в схему пять витков катушек L1 и L2, или же пятнадцать витков.





Рис. 4


3. Корректируется положение катушек параллельно магнитной стрелке. Замечается угол, на который указывает стрелка. Переключателем К2 сначала в схему включается по пять витков катушек. Реостат полностью введен, чтобы при подаче напряжения в цепь ток был минимальным. Затем реостатом устанавливается ток, при котором магнитная стрелка отклоняется примерно на 20 градусов. Точное значение угла отклонения стрелки и соответствующее значение тока заносятся в таблицу. Ток увеличивают примерно в 1,5, 2 и 2,5 раза относительно начального его значения. Значения токов и соответствующих углов заносятся в таблицу.

Затем переключателем К2 включают в схему по 15 витков катушек. Начальное значение тока устанавливается таким, чтобы магнитная стрелка отклонилась примерно на 30 градусов. Как и в первом случае, ток увеличивают в полтора, два и два с половиной раза, занося результаты измерений в таблицу. По формуле (2) рассчитывается стороннее магнитное поле и по формуле (1) горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли. По результатам всех измерений определяется среднее значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Hз.


Таблица.



№

Число витков


Ток, А


Угол, градусы


tgα


Hc, А/м


Нз , А/м


1



















2



















3



















4



















5



















6



















7



















8



















9



















10




















Контрольные вопросы.

  1. Напряженность магнитного поля и связь ее с индукцией магнитного поля.
  2. Единицы измерения напряженности и индукции магнитного поля.
  3. Что такое магнитосфера?
  4. Что такое магнитная пауза?
  5. Какой закон используется для расчета магнитных полей токов?
  6. Объяснить суть идеи измерения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, использованной в данной работе.
  7. Из каких составляющих образуется магнитное поле Земли?
  8. Какие доли приходятся на постоянную и переменную составляющие магнитного поля Земли?
  9. Какими причинами обусловлена переменная составляющая поля Земли?
  10. Каков период прецессии магнитного полюса относительно полюса географического?


Литература.


1.Калашников С.Г. Электричество. «Наука», 1970.

2.Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. «Наука»,1970.

3.Ремизов А.Н. Курс физики. Дрофа, 2004.