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 иS), 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 Вги вертикальную Вв (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 Вг 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; Вг – 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 Вг магнитного поля в месте проведения измерений. Затем, зная географическую широту j места, где установлен тангенс–гальванометр, можно вычислить вертикальную составляющую Вви полную индукцию ВЗ 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
| № п/п | I, А | a1, ° | a2, ° | <a>, ° | tg<a> | B, Тл | Bг, Тл |
| … | |||||||
| … |
Для выполнения отчёта запишите в черновик с таблички на тангенс-гальванометре радиус R катушки и число витков N.