Используемая в данной работе установка состоит из двух блоков: основного и вспомогательного (блок питания). Основной блок (рис.7.3) представляет собой массивную подставку 1, на которой центрично установлено основание 2, имеющее две стойки 3. В стойках закреплена ось кожуха 4, в который заключен основной элемент этого блока - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 5.Благодаря такой конструкции ЭЛТ может поворачиваться как в вертикальной плоскости (вокруг горизонтальной оси ОО), так и в горизонтальной плоскости. В центре основания 2 установлен обычный компас 6 с вращающимся указателем. Вспомогательный блок обеспечивает питанием ЭЛТ и представляет собой систему выпрямителей и трансформаторов, заключенных в кожух. На лицевой панели помещены электроизмерительные приборы и ручки управления изображением следа электронного луча на экране ЭЛТ - “Яркость”, “Фокус I”, “Фокус II”. Блок питания соединяется с ЭЛТ через бронированный кабель.
ЭЛТ представляет собой стеклянный баллон (рис. 7.4), из которого откачан воздух. В узкой части трубки имеются электроды – катод (К) и анод (А). Подогреваемый катод служит источником электронов (термоэлектронная эмиссия).
|
Анод, на который подается большой положительный потенциал U по отношению к катоду, ускоряет электроны. Последние, имея таким образом большую скорость, достигают передней части ЭЛТ - экрана, заставляя его светиться в той точке, куда они попадают. Экран ЭЛТ покрыт масштабной сеткой, что удобно при измерениях координат светящейся точки.
Суть метода измерения индукции магнитного поля Земли сводится к следующему: если заряженная частица (электрон) движется в магнитном поле, то на нее действует сила Лоренца, величина и направление которой определяется равенством
,
где е и v - заряд и скорость электрона, а 
- индукция магнитного поля.
|
При a = p /2 (рис.7.5) электрон в магнитном поле под действием силы Лоренца движется по окружности, радиус R которой связан синдукцией В и скоростью v вторым законом Ньютона (m - масса электрона):
. (7.2)
Отсюда следует, что
. (7.3)
Таким образом, зная v и R, можно вычислить В. Скорость электрона v можно определить из условия: кинетическая энергия электрона, приобретенная им при разгоне между катодом и анодом, равна работе сил электрического поля между анодом и катодом, т. е.
, откуда 
. (7.4)
Что касается R, то его можно найти из эксперимента, измерив смещение d электронного пучка на экране ЭЛТ под действием магнитного поля. Действительно, пусть v - та скорость электрона, которую он имел по выходе из анода. Попав в магнитное поле, направленное, например, “от нас” (рис.7.6), электрон начинает двигаться по дуге АС окружности радиуса R и достигает экрана ЭЛТ не в точке Е, а в точке С; т.е. он будет смещен по сравнению с тем, как если бы он двигался прямолинейно, на величину d. На рис.7.6 L - расстояние от анода до экрана.
Из подобия треугольников АСD и DСВ следует:
|
или 
,
откуда
. (7.5)
Подставляя (7.4) и (7.5) в (7.3), получим
.
Опыт показывает, что d<<L, поэтому величиной d2 в знаменателе можно пренебречь, тогда
. (7.6)
Выражение (7.6) является в данной работе расчетной формулой. Как будет видно в дальнейшем, роль В в приведенных формулах в нашем случае играют поочередно либо В в - вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли, либо В г - горизонтальная составляющая этого поля.
|
Изрис. 7.7 видно, что в первом случае смещение пучка электронов будет по оси x (т.е. d = х), а во втором - вдоль оси у (d = у). Так как магнитное поле Земли “выключить” нельзя, то мы не можем знать нулевого положения электронного пучка на экране. Но в этом и нет необходимости. Действительно, если мы будем знать координаты следов электронного пучка в двух случаях, соответствующих противоположным направлениям движения электронов, то разность между этими координатами (т.е. расстояние между следами) и есть 2 х и 2 у (рис.7.7).
Определив В в и В г, легко вычислить полную индукцию магнитного поля Земли.
(7.7)
и магнитное наклонение
. (7.8)
Порядок выполнения работы
1.Подготовить установку.
1.1. Путем внешнего осмотра познакомиться с устройством обоих блоков установки. Подсоединить блок питания к ЭЛТ.
1.2. Подать на блок питания сетевое напряжение (через вилку и тумблер “Сеть”). Дать прогреться установке в течение 2 - 3 минут.
1.3. С помощью ручек управления “Фокус II”, “Яркость” добиться лучшей видимости следа электронного луча на ЭЛТ.
1.4. С помощью арретира стрелку компаса освободить.
2. Определить В в.
2.1. Установить продольную ось ЭЛТ в плоскости магнитного меридиана. Для этого: повернуть основание основного блока так, чтобы имеющаяся на нем метка, совпала с северным полюсом стрелки компаса.
2.2. Поворачивая ЭЛТ вокруг оси ОО, привести ее в горизонтальное положение. Отметить координату х 1 следа электронного луча, который может находиться и вне оси x (одно деление сетки равно 2 мм, но сделать это лучше с помощью полоски миллиметровой бумаги).
2.3. Не сдвигая основания прибора, повернуть ЭЛТ на 1800 (опять вокруг оси ОО) и вновь отметить значение координаты х 2 электронного следа.
2.4. Найти расстояние между координатами х 1 и х 2, равное2 d.
2 d = х 1 + х 2 или2 d = х 1 - х 2.
2.5. Пункты 2.2, 2.3, 2.4 повторить еще 2 раза. Найти среднее значение <2 d >.
2.6. По формуле (7.6) вычислить среднее значение <BВ> - вертикальной составляющей магнитного поля Земли (L и U должны быть заданы, m/e взять из справочника).
3. Определить В г.
3.1. ЭЛТ повернуть (используя метку - линию на основании прибора и шкалу компаса) так, чтобы ее продольная ось была перпендикулярна магнитному меридиану, и установить ее в горизонтальное положение.
3.2. Зафиксировать координату у 1 следа электронного пучка (след не будет находиться на оси y, так как сейчас кроме В г “работает” и В в).
3.3. Повернуть ЭЛТ (точнее всю установку вокруг вертикальной оси) на 1800 и опять зафиксировать координату у 2 следа электронов.
3.4. Пункты 3.1, 3.2, 3.3 повторить еще 2 раза и вычислить среднее значение 2 d. Все результаты поместить в табл. 7.1.
Таблица 7.1
| № п/п | х1 | х2 | 2 d | у1 | у2 | 2 d | Другие данные |
| L = 25 см U = 1500 В m/e = | |||||||
| < 2 d> | < 2 d> |
3.5. По формуле (7.6) вычислить среднее значение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В г.
4. По известным В в и В г вычислить полную индукцию В з магнитного поля Земли и магнитное наклонение b. Полученные данные сравнить с табличными, найти расхождение в %. Сделать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Магнитное поле и его характеристики.
2. Магнитное поле Земли.
3. Магнитное наклонение и магнитное склонение.
4. Определение магнитного поля Земли. Устройство ЭЛТ.
5. Теория метода определения В в, В г,, В з.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
