Описание установки и метода измерения

Приборы и принадлежности

тангенс-гальванометр, источник тока, амперметр, коммутатор, реостат, соединительные провода.

 

Теоретическое введение

Земной шар обладает собственным магнитным полем. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается до расстояния 70-80 тыс.км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвекционными движениями проводящего вещества в земном ядре.

Линии магнитной индукции выходят из Земли вблизи Южного географического полюса S. Здесь в Антарктиде находится Северный геомагнитный полюс N ¢ (Рис.1). Вблизи северного географического полюса N, в Канаде находится Южный геомагнитный полюс S ¢.

Расстояние между географическими и геомагнитными полюсами порядка 300 км.

Рис. 1

Рис. 2

На значительных пространствах магнитное поле Земли однородно, оно имеет постоянное направление и напряженность.

Плоскость, проходящая через магнитные полюсы Земли, называют плоскостью магнитного меридиана.

Угол a между плоскостями магнитного и географического меридианов в данной точке Земли называют магнитным склонением (рис. 2).

Характеристикой любого магнитного поля является индукция . Значения Земли невелики и изменяются от 0,42×10^–4 Тл на экваторе до 0,42×10^–4 Тл у магнитных полюсов.

Угол q между направлением индукции магнитного поля Земли в данной точке B_A и горизонтальной плоскостью OO₁ называется углом наклонения (рис. 3).

Вектор индукции магнитного поля Земли B_A можно разложить на две составляющие: горизонтальную (B _t) и вертикальную (B_n).

Укреплённая на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей Земли (B _t).

Магнитное наклонение q, склонение a и горизонтальная составляющая магнитного поля (B _t) являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Рис. 3

Рис. 4

Рис.5

 

Описание установки и метода измерения

Горизонтальную составляющую магнитного поля Земли определяют с помощью прибора тангенс-гальванометра, в основу работы которого положен магнитометрический метод измерений, основанный на магнитном взаимодействии образца и магнитной стрелки. Схематически устройство этого прибора показано на рис. 4. Он состоит из плоской катушки большого диаметра (диаметр и число витков указаны на приборе). В центре помещается магнитная стрелка. Для удобства отсчета, перпендикулярно магнитной стрелке, крепится длинная алюминиевая указательная стрелка. Под действием магнитного поля Земли, магнитная стрелка устанавливается в плоскости магнитного меридиана в направлении составляющей индукции B _t. Ток, протекающий по контуру, создает магнитное поле B_К, действующее на магнитную стрелку. В случае, когда катушка располагается в плоскости магнитного меридиана, B_К перпендикулярен B _t.

Под действием магнитного поля Земли и магнитного поля катушки стрелка установится по направлению результирующего поля с индукцией . Из рис. 5 видно, что . Индукция магнитного поля контура B_К в центре равна

,

где w – число витков контура,

I – ток в контуре,

r – радиус кольца, откуда

или .

Обозначим и назовем постоянной тангенс-гальванометра.

Окончательно имеем

.

Примечание: все выводы верны для случая, когда размер магнитной стрелки намного меньше радиуса катушки r.

 

Выполнение работы

1. Собрать схему по рис. 6. Тангенс-гальванометр расположить подальше от амперметра и реостата, чтобы их магнитные поля не оказывали заметного действия на магнитную стрелку.

2. Сориентировать катушку так, чтобы плоскость ее витков совпадала с плоскостью магнитного меридиана (с направлением магнитной стрелки).

3. Замкнуть ключ. Изменяя величину тока реостатом R, добиться поворота стрелки на угол j £ 45°и зафиксировать значения j₁ и j₁¢.

4. Переключателем S ₂ изменить направление тока в катушке и снова зафиксировать углы j₂ и j₂¢ (j₁, j₁¢; j₂, j₂¢ – углы поворота магнитной стрелки, отсчитанные по обоим концам указательной стрелки (рис. 7).

Рис. 6

Рис.7

1. Взяв среднее значение из j₁, j₁¢ и j₂, j₂¢ вычисляют по формуле значение B _t.

2. Исходя из формулы , оценить максимальную погрешность измерения B _t, считая, что значение известны точно, абсолютная погрешность e не превышает одного деления лимба, а относительная погрешность при измерении тока может быть определена исходя из класса точности амперметра.

Таблица

№ п.п.	Измерено	Вычислено
I, A	j1, °	j1¢, °	j2, °	j2¢, °	jср, °	B t, Тл	B t ср , Тл	D B t, Тл	e, %
1. 2. 3. 4. 5.

 

3. Произвести аналогичные измерения j для 4…5 значений тока. Для каждого опыта вычислить B _t.

Контрольные вопросы

1. Сформулировать закон Био-Саварра и вывести из него формулу для расчёта индукции магнитного поля кругового тока.

2. Объяснить принцип действия тангенс-гальванометра.

3. Назовите основные параметры земного магнитного поля.

Доказать, что погрешность будет минимальной при j = 45°.