РАБОТА 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕОМАГНИТНОГО

ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомиться со структурой магнитного поля Земли.

2. Измерить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Земля - большой магнит, поэтому она обладает магнитным полем, наличие которого можно определить по действию на стрелку компаса, которая стремится расположиться в плоскости магнитного меридиана Земли. В полярных районах Земли имеются области, получившие названия магнитных полюсов. Северный магнитный полюс находится в районе Антарктиды (68° южной широты и 143° восточной долготы), а южный - у северных берегов Америки (74° северной широты и 100° западной долготы).

Для большей части поверхности Земли положение плоскости магнитного меридиана не совпадает с плоскостью географического меридиана (рис. 2). Угол Д, который образует стрелка компаса с северным направлением географического меридиана (или с истинным направлением на север), называется магнитным склонением.

Рис. 1. Схема магнитного поля Земли. Рис. 2. Магнитное склонение

Склонение считается положительным, если в северном полушарии магнитный меридиан отклоняется на восток, и отрицательным, если к западу.

Магнитное склонение данного места меняется с течением времени, поэтому карты магнитного склонения, предназначенные для морской и воздушной навигации, обновляются через каждые 5 - 10 лет.

Если магнитную стрелку подвесить на нити за цент тяжести, она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли, образуя как правило, с горизонтальной поверхностью угол a, который называется магнитным наклонением. Наклонение считается положительным, если северный конец стрелки компаса направлен к Земле. В северном полушарии к Земле наклонен южный конец стрелки, в южном - северный, а на экваторе наклонение равно нулю.

Рис. 3. Составляющие поля Земли

Вектор напряжённости магнитного поля Земли на данной широте можно представить в виде суммы двух компонент: горизонтальной Н_Г и вертикальной Н_В. Зная величины Н_Г и Н_В, можно найти вектор напряжённости:

Единицей напряжённости магнитного поля в системе Си является А/м, но очень часто пользуются единицей гауссовой системы единиц - эрстедом (Э), причём

1 А/м = 4p×10^-3Э.

В астрофизике для измерения магнитного поля Луны и планет введена более мелкая единица - гамма:

1 g = 10^-5Э.

Наблюдаемое магнитное поле Земли невелико, но чтобы создать такое поле, необходимо поместить в центр Земли гигантский цилиндрический магнит длиной 4×10³км и диаметром 200 км. Поле цилиндрического магнита, которое ближе всего соответствует наблюдаемому, называется эквивалентным полем.

Разность между реальным магнитным полем Земли и эквивалентным называется аномалией. В зависимости от размеров площадей, занимаемых аномалиями, различают аномалии локальные, региональные и мировые. Локальные аномалии имеют размеры в несколько километров, региональные – в несколько сот километров, а мировые - несколько тысяч километров.

Локальные и региональные аномалии связаны с залеганием в земной коре ферромагнитных материалов. В районе Курской магнитной аномалии напряжённость магнитного поля достигает 2 Э, что почти в 4 раза больше величины эквивалентного поля. По значению магнитного поля в районе аномалии можно теоретически определить, где и сколько залегает ферромагнитного вещества (железной руды).

В 1951 году было установлено, что мировые аномалии перемещаются в западном направлении со скоростью 0.2° в год. Это явление носит название западного дрейфа магнитного поля.

Наблюдения показывают, что меняются все элементы магнитного поля Земли, т.е. a, Ä, Н_Г и Н_В. В их изменениях различают вековую вариацию и вековой ход. Вековая вариация - это изменение среднегодовых значений того или иного элемента, а изменение элемента за один год – вековой ход. Максимальный вековой ход напряжённости магнитного поля Земли достигает 100g. Величина векового хода меняется от года к году, поэтому в обсерваториях определяют эту величину ежегодно.

Расчёты показывают, что величина векового хода, называемого западным дрейфом, почти в 2 раза меньше наблюдаемой. Следовательно, вековые вариации обусловлены не только западным дрейфом, но и непостоянством собственного магнитного поля Земли.

С течением времени магнитный момент Земли быстро уменьшается, приблизительно на 0.07 % в год. Если это уменьшение будет продолжаться такими же темпами, то через 1400 лет магнитное поле Земли исчезнет.

Кроме вековых изменений магнитное поле Земли обнаруживает колебания с периодом от нескольких дней до долей секунды. Дни с малыми изменениями магнитного поля называют спокойными, при заметных изменениях – возмущёнными.

Возмущения, наблюдающиеся одновременно на всём земном шаре, называются магнитными бурями. Магнитные бури наиболее отчётливо проявляются в вариациях горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Магнитные бури начинаются внезапно и одновременно по всей поверхности Земли. За 1-2 часа напряжённость поля увеличивается на несколько десятков g – это начальная фаза бури. Затем в течении нескольких часов напряжённость резко уменьшается до минимума – это главная фаза. После этого напряжённость начинает медленно увеличиваться, что обычно длится несколько дней. Во время сильных магнитных бурь амплитуда возмущений достигает 1500g в высоких широтах и 1000g – в средних. Такие сильные магнитные бури случаются редко – 1-2 раза в год. Наблюдения показали, что магнитные бури тесно связанны с хромосферными вспышками, происходящими на поверхности Солнца.

Магнитные бури сопровождаются появлением полярных сияний в околополярных широтах, ухудшением радиосвязи на коротких волнах, возникновением помех в проволочной связи и др. Так, в 1953г. индукционные электрические токи были столь велики, что в Швеции в некоторых местах сгорели предохранители и даже трансформаторы.

Какова же природа магнитного поля Земли?

В настоящее время доказано, что основное магнитное поле принадлежит Земле в целом. Магнитное поле Земли может быть обусловлено либо намагниченностью земного вещества, либо системами электрических токов, которые текут во внешнем ядре Земли. Но магнитное вещество земной коры, толщина которой 30-40 км, создаёт магнитное поле даже в самом лучшем случае значительно меньше наблюдаемого. Вещество, которое лежит глубже 40 км, не может обладать намагниченностью из-за высокой температуры, характерной для этих глубин. Следовательно, магнитное поле Земли, за исключением локальных и региональных аномалий, создаётся за счёт токов, которые текут во внешнем ядре Земли.

Конфигурация электрических токов в ядре Земли, видимо, такова, что магнитное поле на земной поверхности имеет вид дипольного (т.е. поле прямого магнита), а мировые аномалии возникают за счёт нерегулярностей этих токов.

Западный дрейф можно объяснить более медленным вращением земного ядра по сравнению с мантией и корой Земли.

Помимо магнитного поля, создаваемого ядром Земли, существует переменная компонента, которую чаще всего можно объяснить с помощью электромагнитной индукции, возникающей в результате изменения гигантских токов, охватывающих верхние слои земной атмосферы. Наблюдения показывают, что величина гигантских токов в земной атмосфере сильно зависит от активности Солнца, т.е. от количества заряженных частиц доходящих до верхних слоёв земной атмосферы от Солнца. В годы максимума солнечной активности, которые повторяются в среднем через 11 лет, переменная компонента магнитного поля Земли увеличивается. В частности, 1990 год является годом максимальной солнечной активности.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В работе измеряется горизонтальная составляющая напряженности Н магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиусом R с некоторым числом витков n, намотанных плотно друг к другу. В центре катушки расположен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке располагается в плоскости меридиана N S, т.е. совпадает с горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Н.

Поворотом тангенс-гальванометра добиваемся, чтобы плоскость катушки совпала с плоскостью магнитного меридиана.

Если в этом положении катушки по ней пропустить ток, то возникает магнитное поле напряженностью H₀ , перпендикулярное плоскости катушки в ее центре. На стрелку компаса будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: поле Земли и поле кругового тока. Стрелка повернется на угол (рис.23) и установится по направлению вектора напряженности H₁ результирующего поля, равного векторной сумме H и H₀ . Из паралле-

лограмма векторов получим:

Напряженность магнитного поля в центре катушки равна:

Следовательно, горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли в данном месте определяется по формуле:

(45)

Рис.23 Рис.24

На схеме установки (рис.24): Т - тангенс-гальванометр, Е - источник постоянного тока 6 В, П - переключатель, меняющий направление тока, проходящего по тангенс-гальванометру.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Поворачивая тангенс-гальванометр, установить его так, чтобы стрелка компаса оказалась в плоскости катушки.

2. Замкнув цепь переключателем П, реостатом R установить одно из значений силы тока (см.п.7).

3. Когда стрелка компаса остановится, отсчитать угол поворота по шкале компаса.

4. Не меняя значения силы тока, изменить переключателем П его направление и определить величину угла поворота .

5. Повторить измерения не менее 5 раз.

6. Рассчитать H горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли по формуле (45).

7. Используя метрологические характеристики приборов, рассчитать абсолютную погрешность измерения по формуле:

(46)

где - погрешность измерения силы тока, - погрешность измерения радиуса катушки, - погрешность определения угла поворота.

Из данной формулы следует, что значение погрешности H уменьшается с ростом силы тока I и угла отклонения . Погрешность минимальна при sin = 1, т.е. при = /4. Следо-

вательно, измерения надо проводить при этих условиях.

8. Результаты измерений и расчета оформить в виде таблицы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как определить величину и направление вектора напряженности магнитного поля Земли по

трем элементам?

2. Какова картина силовых линий магнитного поля Земли? Как изменяется горизонтальная

составляющая напряженности при переходе от магнитного полюса Земли к экватору вдоль

магнитного меридиана?

3.Как определить величину и направление вектора напряженности магнитного поля кругового

тока?

4. Объясните принцип действия тангенс-гальванометра.

5. Почему стрелка компаса тангенс-гальванометра должна быть небольших размеров?

ЛИТЕРАТУРА: [2 § 41; 5 c.200]