Цель работы
Определить горизонтальную составляющую вектора напряженности и индукции магнитного поля Земли.
1. Приборы и принадлежности:
1. Магнитометр.
2. Компас.
3. Амперметр.
4. Реостат.
5. Двухполюсный переключатель.
6. Проводники.
7. Источник питания.
Краткая теория
| Рис. 1 |
Земля представляет собой огромный магнит. Схематически магнитное поле Земли представлено на рис.1.
В любой точке пространства, окружающего Землю и на её поверхности обнаруживается действие магнитного поля.
Основными характеристиками магнитного поля являются напряженность 
и индукция 
связанные между собой соотношением: 
, где m - относительная магнитная проницаемость среды. Для воздуха m = 1. 
- магнитная постоянная.
Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли, т.е. по направлению вектора индукции магнитного поля 
В северном географическом полушарии северный конец стрелки будет наклонен к Земле и стрелка составит с горизонтом угол наклонения j. На магнитном экваторе наклонение равно нулю. Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана.
Угол, который образует плоскость магнитного меридиана с географическим меридианом называется магнитным склонением или отклонением g.
Склонение – это угол между географическим и магнитным меридианами, т.е. между истинным направлением на север и тем, которое указывает магнитная стрелка.
Следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Магнитные полюса не совпадают с географическими, поэтому магнитная стрелка отклонена от географического меридиана.
Южный магнитный полюс Земли расположен на севере. Он находится около берегов Северной Америки (71° с.ш. 96° з.д.), а северный магнитный полюс в Южном полушарии около берегов Антарктики (70° ю.ш. 150° в.д.). Магнитная ось не совпадает с осью вращения и не проходит через центр Земли.
Угол между осью вращения Земли и магнитной осью составляет угол 11,5°. Направление магнитных силовых линий на полюсах вертикальное по отношению к поверхности Земли, на экваторе – горизонтальное. Величина напряженности магнитного поля Земли очень мала около 0,5 эрстеда. 
.
Для сравнения: магнитное поле около полюса магнита, применяемого для школьных опытов, составляет несколько десятков эрстед.
Около полюсов величина напряженности магнитного поля вдвое превышает её величину на экваторе. Напряженность магнитного поля Земли 
в любой точке между экватором и полюсом можно рассматривать как векторную сумму вертикальной 
и горизонтальной 
составляющих (рис.2).
Знание углов отклонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей вектора напряженности 
дает возможность определить величину и направление полного вектора напряженности магнитного поля Земли в данной точке 
.
Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться только под действием горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана.
Горизонтальная составляющая 
, магнитное отклонение g и наклонение j называются элементами земного магнетизма. Все эти величины изменяются с течением времени.
Условились считать, что вектор магнитной индукции 
в произвольной точке поля совпадает по направлению с силой, которая действует на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля. Эта стрелка не искажает поле, в которое вносится. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена в сторону, противоположную вектору . Следовательно, на стрелку действует пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпала с направлением поля, т.е. с направлением вектора 
.
Сила, действующая в веществе на пробную стрелку, называется магнитной индукцией (
).
Магнитная индукция численно равна силе, действующей со стороны магнитного поля на единицу длины проводника с единичным током, расположенного перпендикулярно линиям индукции
Ее направление совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки. Направление линии индукции можно определить, пользуясь правилом правого винта (обхвата правой руки). Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Замкнутость линий индукции является выражением отсутствия в природе свободных магнитных зарядов.
Магнитное поле – одна из форм проявления электромагнитного поля, особенностью которого является то, что это поле действует на движущиеся в нем электрические заряженные тела и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от их состояния движения.
Описание установки
Установка состоит из магнитометра, представляющего собой катушку из большого числа витков, плотно прилегающих друг к другу, расположенных вертикально. В центре катушки помещается магнитная стрелка, вращающаяся вокруг вертикальной оси или компас.
При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана под действием магнитного поля Земли.
Перед измерениями плоскость катушки совмещают с плоскостью магнитного меридиана. В этом случае один конец стрелки указывает на 0°, другой – на 180°.
Если по катушке пропустить ток, то в окружающем катушку пространстве возникает магнитное поле, вектор индукции которого 
в центре катушки будет направлен перпендикулярно к плоскости катушки. Таким образом, на стрелку будет действовать два взаимноперпендикулярных магнитных поля: магнитное поле Земли с напряженностью 
и магнитное поле катушки напряженностью 
. Векторы напряженности этих полей взаимноперпендикулярны. Стрелка устанавливается по направлению результирующего вектора. На рис. 3 показано сечение катушки горизонтальной плоскостью (вид сверху). A и B – сечение витков катушки, NS – направление магнитного меридиана Земли, ns – магнитная стрелка, помещенная в центре катушки. 
- вектор горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, 
- вектор напряженности магнитного поля, создан 
| Рис. 3 |
ного током в катушке.
Из рисунка видно, что 
, откуда
. (1)
На основании закона Био-Савара-Лапласа величина напряженности магнитного поля в центре кругового тока вычисляется по формуле
, (2)
где I – сила тока в катушке, измеряемая амперметром, N – число витков катушки, R – радиус витка.
Подставив выражение (2) в (1) получим
.
Индукция вычисляется по формуле:
.
Выполнение работы
1. Собрать установку по схеме (рис. 4).
| Рис. 4 |
2. Установить плоскость катушки магнитометра в плоскости магнитного меридиана Земли.
3. Проверить установку, добившись чтобы при перемене направления тока в магнитометре разница в отклонениях магнитной стрелки не превышала двух градусов.
4. При помощи реостата подать в катушку ток определенного значения и измерить угол 
- отклонения магнитной стрелки.
5. Повторить опыт ещё 4 раза при разных токах.
6. Изменить направление тока с помощью двухполюсного переключателя и повторить опыты с теми же значениями токов.
7. Занести данные измерений в таблицу 1.
Таблица 1
| Номер опыта | Измерения | Вычисления | ||||||||
| I | 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| < B> | |
| А | А/м | А/м | А/м | А/м | Тл | |||||
8. Рассчитать для каждого тока горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли, используя значение 
.
9. Рассчитать среднее значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли и погрешность результатов измерений.
10. Вычислить относительную погрешность
.
11. Вычислить абсолютную погрешность
.
12. Записать результат в виде
.
13. Вычислить среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли, используя соотношение 
.
14. Провести анализ результатов и сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое магнитное поле? Как изобразить магнитное поле графически?
2. Физический смысл напряженности и индукции магнитного поля, единицы их измерения.
3. Как определить направление линий индукции магнитного поля?
4. Сформулировать и записать закон Био-Савара-Лапласа.
5. Используя закон Био-Савара-Лапласа, рассчитать напряженность и индукцию магнитного поля в центре кругового тока.
6. Какова цель работы и порядок выполнения.
7. Назначение составных частей установки и их работа:
а) как устанавливается магнитометр перед работой, почему?
б) как устанавливается магнитная стрелка до включения тока, после включения тока, почему?
в) зачем направление тока в магнитометре изменяют на противоположное?
г) как определить направление вектора индукции магнитного поля магнитометра?
д) что изменится, если магнитометр повернуть на 90°, как изменится положение магнитной стрелки при наличии тока, без тока?
е) какие поля и силы действуют на магнитную стрелку, если нет тока и при наличии тока в магнитометре?
8. Как вычислить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.
9. Почему магнитная стрелка магнитометра должна быть малых размеров?
10. Как выполняется работа: что надо измерить и что вычислить?
