Вказівки до виконання роботи. Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: магнітне поле; індукція магнітного поля; закон Ампера; закон Біо - Савара – Лапласа;

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: магнітне поле; індукція магнітного поля; закон Ампера; закон Біо - Савара – Лапласа; принцип суперпозиції магнітних полів; магнітне поле колового провідника зі струмом; напруженість магнітного поля.

[ 1, т.2 §§ 8.1, 8.2, 8.4; 2, §§ 109–112; 3, §§ 9.2–9.5; 4, т.2 §§ 40, 42, 44, 47, 51]

 

Магнітне поле – це складова загального електромагнітного поля, яка утворюється рухомими зарядами (струмами) і діє відповідно на рухомі заряди (струми).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції , який в даній точці поля пропорційний силі, яка діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, вміщеної в цю точку магнітного поля. Сила, що діє з боку магнітного поля на південний полюс стрілки, напрямлена протилежно вектору .

Магнітне поле можна зобразити графічно за допомогою ліній магнітної індукції. Лініями магнітної індукції (магнітними силовими лініями) називають криві, дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямком вектора в цих точках.

Крім магнітної індукції , вводиться ще одна характеристика – напруженість . Напруженість магнітного поля не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле, що його створює струм. У випадку однорідного та ізотропного середовища:

,

де – відносна магнітна проникність середовища; = 4π∙10^-7 Гн/м – магнітна стала.

Застосовування компаса, магнітна стрілка якого завжди встановлюється в кожному місці Землі певним чином, свідчить про те, що Земля є магнітом і що у навколоземному просторі існує магнітне поле. Магнітні полюси Землі не збігаються з її географічними полюсами. Магнітні полюси дрейфують з часом. Наприклад, магнітний полюс Північної півкулі знаходився у 1600 році на відстані близько 1300 км від географічного полюса, а тепер його відстань – до 2100 км.

Внаслідок розходження магнітних та географічних полюсів, між площиною магнітного меридіана (у цій площині встановлюється стрілка компаса) і площиною географічного меридіана для кожного місця Землі завжди існує певний кут, який називається кутом схилення. Стрілка компаса встановлюється не горизонтально до поверхні Землі, а під деяким кутом, який називається кутом нахилу. Це означає, що лінії магнітного поля не паралельні поверхні Землі, а дещо нахилені. Кут нахилу неоднаковий для різних точок Землі. Силові лінії магнітного поля Землі на екваторі напрямлені горизонтально до її поверхні, біля магнітних полюсів – вертикально, а у всіх інших місцях – під деяким кутом.

Магнітне поле у кожній точці Землі характеризується горизонтальною складовою напруженості магнітного поля (проекцією напруженості магнітного поля на горизонтальну площину), кутами схилення і нахилу.

Для визначення горизонтальної складової магнітної індукції В _Г магнітного поля Землі у даній лабораторній роботі користуються тангенс-гальванометром, схему якого показано на рис. 3.5.1.

Тангенс-гальванометр складається з колової рамки, на яку намотано N витків провідника. В центрі рамки на вертикальній осі закріплено магнітну стрілку, яка може вільно обертатись тільки у горизонтальній площині. Тому на цю магнітну стрілку орієнтуюче діє тільки горизонтальна складова магнітного поля Землі.

При пропусканні струму через провідники рамки магнітна стрілка буде перебувати під дією двох магнітних полів – горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі та магнітного поля струму . Стрілка встановлюється у напрямку рівнодійної індукції цих магнітних полів (рис. 3.5.2):

.

Якщо вісь магнітної стрілки при відсутності струму у рамці збігається з площиною рамки, то кут між B _Г і B _C буде прямим і величини B _Г і B _C будуть зв’язані між собою співвідношенням (рис. 3.5.2):

, ( 3.5.1)

де j – кут відхилення магнітної стрілки (кут між векторами горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі B _Г та рівнодійної індукції B, рис. 3.5.2 ).

За законом Біо-Савара – Лапласа індукція магнітного поля в центрі контуру у вигляді кола зі струмом І:

, (3.5.2)

то робоча формула для підрахунку горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі записується так:

, (3.5.3)

де R – радіус рамки; І – сила струму; N – кількість витків рамки; m₀ – магнітна стала; m – відносна магнітна проникність середовища (у даному випадку m = 1).

Застосувавши зв’язок між вектором магнітної індукції та напруженістю магнітного поля можна записати для горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі:

; (3.5.4)

або з урахуванням (3.5.2):

. (3.5.5)

Тангенс-гальванометр може бути використаний як гальванометр для вимірювання невеликого струму I, якщо відомі величини B _Г, N та R. З формули (3.5.3) видно, що , тобто . Тому і прилад, який використовується в даній роботі для визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля Землі, називається тангенс-гальванометром.

Хід роботи

1. Скласти електричне коло за схемою на рисунку 3.5.1.

2. Звільнити магнітну стрілку від аретиру, рамку повернути так, щоб її площина збігалася з напрямом орієнтації стрілки.

3. Увімкнути джерело струму, встановити певну силу струму I, відмітити кут j (тричі, включити та виключити струм).

4. Аналогічно виміряти кут j при трьох різних силах струму I. Результати вимірювання занести до таблиці 3.5.1.

5. За формулами (3.5.3) та (3.5.4) обчислити B _Г та H _Г.

6. Знайти середні значення B _Г та H _Г та занести їх до таблиці 3.5.1.

Таблиця 3.5.1

№ пор.	I, A	j	jср	N	R, м	В Г, Тл	Н Г, А/м

Контрольні запитання

1. Що таке магнітне поле?

2. Що називають силовими лініями індукції магнітного поля?

3. Зобразіть картину силових ліній магнітного поля Землі.

4. В чому різниця між індукцією та напруженістю магнітного поля? Який між ними зв’язок?

5. У чому полягає принцип суперпозиції магнітних полів?

6. Що називають силою Ампера? Сформулюйте правило для визначення напрямку цієї сили.

7. Сформулюйте та запишіть закон Біо-Савара − Лапласа.

8. Виведіть формулу для індукції та напруженості магнітного поля в центрі колового провідника зі струмом.