Теория метода и описание установки. При подготовке к работе следует изучить закономерности образования маг­нитного поля проводниками с током (закон Био – Савара)

При подготовке к работе следует изучить закономерности образования маг­нитного поля проводниками с током (закон Био – Савара), элементы земного маг­нетизма.

Наша Земля окружена естественным магнитным полем, существование кото­рого обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и создающих основной компонент поля (~99%), а также переменных источ­ников (электрических токов) в магнитосфере и ионосфере (~1%). Напряжённость Н геомагнитного поля убывает от полюсов к экватору от 56 до 33 А/м.

Действие магнитных сил обнаруживается как на поверхности Земли, так и в её недрах и под водой. Все пространство, окружающее земной шар, пронизывается магнитными силовыми линиями, как бы исходящими из магнитного полюса в южном полушарии, огибающими земной шар и входящими в магнитный полюс северного полушария (рис. 7.1).

В магнитных компасах используется свойство свободно подвешенной намаг­ниченной стрелки устанавливаться вдоль магнитных силовых линий Земли. Такая стрелка своим северным концом указывает на север, а южным – на юг.

Магнитные полюса расположены вблизи географических полюсов, (обозначены на рис. 7.1 буквами N и S), но не совпадают с ними. Положение магнитных полюсов не остаётся неизменным, координаты их, хотя и очень медленно, но изменяются. В 1600 г. северный магнитный полюс находился в 1300 км от географического, а в настоящее время – примерно в 2000 км.

Магнитное поле Земли характеризуется вектором магнитной индукции , кото­рый направлен по касательной к силовым линиям земного магнитного поля. В каждой точке Земли вектор индукции составляет с горизонтальной плоскостью некоторый угол j (рис. 7.2), который приблизительно равен географической ши­роте местности. Магнитное поле также можно охарактеризовать вектором напряжённости магнитного поля , который связан с вектором магнитной индукции соотношением

Направление вектора можно определить, на­пример, имея магнитную стрелку, свободно вра­щающуюся на горизонтальной оси. (Подумайте, как нужно сориентировать ось, чтобы стрелка показала направление магнитной индукции.) Обычно вектор магнитной индукции раскладывают на две состав­ляющие: горизонтальную В _ги вертикальную В _в (см. рис. 7.2).

Имеющаяся в лаборатории установка позволяет определить только одну составляющую индукции магнитного поля – горизонтальную.

Для её определения в данной работе применяется тангенс-гальванометр (ТГ). Это плоская вертикальная катушка радиусом R c числом витков N. В центре ка­тушки расположен компас, размеры которого должны быть значительно меньше радиуса катушки.

Если ось стрелки компаса вертикальна, то при отсутствии тока в катушке стрелка располагается вдоль горизонтальной составляющей магнитного мери­диана Земли (рис. 7.3). Поворотом прибора вокруг вертикальной оси можно совместить плоскость ка­тушки с плоскостью магнитного меридиана. Если по­сле такой установки катушки пропустить по ней ток, то магнитная стрелка отклонится от направления маг­нитного меридиана на некоторый угол a.

Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будут действовать два поля: горизонтальная состав­ляющая В _г земного магнитного поля и поле В, создан­ное током. На рис. 7.3 SN – направление магнитного меридиана Земли; АС – сечение витка катушки гори­зонтальной плоскостью; S’N’ – магнитная стрелка; В _г – вектор горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли; В – вектор индукции магнит­ного поля, созданного током в центре катушки. Как следует из рис. 7.3, горизон­тальная составляющая связана с индукцией магнитного поля катушки соотноше­нием

.

(7.1)

Величина индукции в центре кругового тока пропорциональна силе тока I и вычисляется по формуле, полученной из закона Био – Савара – Лапласа интегри­рованием по замкнутой окружности радиуса R:

.

(7.2)

Измеряя угол отклонения a при известном значении силы тока, можно по формулам (7.2) и (7.1) вычислить горизонтальную составляющую В _г магнитного поля в месте проведения измерений. Затем, зная географическую широту j места, где установлен тангенс–гальванометр, можно вычислить вертикальную составляющую В _ви полную индукцию В _З магнитного поля Земли (см. рис. 7.2).

Выполнение работы

Соберите схему (рис. 7.4) по монтажной схеме (рис. 7.5). Установите регуля­тор модуля питания в крайнее левое положение (минимум выходного напряже­ния). Поворачивая тангенс-гальванометр, установите его так, чтобы плоскость ка­тушки совпадала с плоскостью магнитного меридиана. Для этого один из концов стрелки компаса нужно совместить с нулевым делением лимба компаса.

После проверки схемы преподавате­лем включите модуль питания. При этом стрелка компаса отклонится от своего первоначального положения на угол a₁, а амперметр покажет некоторый ток. Запи­шите эти показания в табл. 7.1. Переклю­чите тумблер миниблока «Ключ», при этом изменится направление тока в ка­тушке, и стрелка компаса поменяет своё направление относительно меридиана. Углы a₁ и a₂ не должны разли­чаться между собой более чем на 2–4 градуса. В противном случае нужно отключить питание и точ­нее установить тангенс-гальвано­метр вдоль меридиана. Так же надо поступить, если во время работы Вы нечаянно сдвинете тангенс-гальванометр.

Изменяйте ток в катушке ша­гами по 0,02¸0,04 А регулятором источ­ника питания и записывайте зна­чения углов a₁ и a₂ при каждом значении силы тока I в табл. 7.1. Проведите измерения для 6–8 зна­чений тока.

Примечание:С целью уменьшения погрешностей при измерениях следует ус­танавливать такие значения силы тока, при которых углы отклонения стрелки не превышали бы 60°.

Таблица 7.1

Для выполнения отчёта запишите в черновик с таблички на тангенс-гальванометре радиус R катушки и число витков N.