![]() |
![]() |
Категории: АстрономияБиология География Другие языки Интернет Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Механика Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Транспорт Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника |
Краткая теорияМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 по электричеству ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА УФА – 2009 Печатается по решению кафедры общей физики от 1 июля 2009г., протокол №6
Составители: ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА.
Цель работы: изучение устройства и принципов работы тангенс-гальванометра, Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, определение электродинамической постоянной. Приборы и принадлежности: тангенс – гальванометр, источники постоянного и переменного тока, вольтметр, амперметр, батарея конденсаторов.
Краткая теория. Наша планета, подобно гигантскому магниту, обладает магнитным полем (земной магнетизм или геомагнетизм ).
Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити Lтак, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка становится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии – южный конец будет наклонён к Земле и стрелка составит с горизонтом угол наклонения (на магнитном экваторе наклонение равно 0). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от географического меридиана. Угол который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан) с географическим меридианом, называется магнитным склонением . Существующие в настоящее время теории Земного магнетизма можно разбить на две группы: Теории, объясняющие наличие магнитного поля электрическими токами, циркулирующими на больших глубинах в жидком ядре Земли. Теории, основанные на предположении, что земная кора содержит в разных своих участках различное количество магнитных пород. Однако происхождение магнитного поля Земли в настоящее время ещё не выяснено Характеристикой магнитного поля Земли, как и всякого магнитного поля, служит вектор магнитной индукции рис. 1 На рис. 1 изображен вектор Проекция
Плоскость Склонение, наклонение, горизонтальная составляющая, а также составляющие: северная, восточная и вертикальная – называются элементами Земного магнетизма. Определение горизонтальной составляющей рис. 2 Рассмотрим круговой проводник, радиуса Таким образом, на магнитную стрелку будут действовать две взаимно перпендикулярные составляющие индукции: магнитного поля Земли и магнитного поля тока. Магнитная стрелка отклоняется на угол , то есть устанавливается по направлению равнодействующей Легко видеть, что
Поэтому:
Где Следует помнить, что (2) является приближенной, т. е. верной только в том случае, когда размер магнитной стрелки много меньше радиуса
Ниже будет показано, что самое благоприятное для измерений значение угла
Экспериментальная установка.
рис. 3.
Схема установки приведена на рис. 3. Б – источник напряжения, R – реостат, MA – миллиамперметр, П – переключатель напряжения тока в тангенс – гальванометр, ТГ – тангенс – гальванометр
Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. · Собрать схему на рис. 3; · Поворачивая подставку гальванометра, установить его катушку так, чтобы она лежала в плоскости геомагнитного меридиана: · Включают ток в обмотку тангенс – гальванометра, и измеряя его величину с помощью реостата · Рассчитывают это значение тока · Оценивают по (3) максимальную погрешность измерения Поскольку катушку тангенс – гальванометра трудно точно установить в направлении север – юг. Можно производить измерение
рис. 4. Из рис. 4 видно, что :
где Решение (3) дает:
пользуясь (4) можно определить - воспользовавшись формулой (4) определить значение - вывести условие, при котором наиболее выгодно производить измерение
Определение электростатической постоянной с помощью тангенс-галльванометра.
Основными е6диницами в системе CGSE являются 1 см, 1 г и 1 с. Количество электричества (заряд) в этой системе определяется из закона Кулона:
где За единицу заряда в системе CGSE принимается такой заряд, который взаимодействует в вакууме ( Из (6) следует, что размерность заряда:
Поскольку ток определяется количеством электричества, прошедшим через поперечное сечение проводника за 1 с (
Непосредственное измерение тока в системе CGSE затруднено , поэтому в данном упражнении величина За единицу разности потенциалов в соответствии с формулой
За единицу емкости [C]... принимается емкость проводника, при сообщении которому заряда в 1 ед. CGSE [ x] потенциал проводника изменяется на 1 ед. CGSE [U] размерность емкости Основными единицами системы CGSM являются 1 см, 1 г, 1 с. Ток в этой системе определяется на основе определения силы взаимодействия двух бесконечных длинных параллельных проводников:
где r – расстояние между ними. l – отрезок проводника, на которой рассчитывается сила, m - магнитная проницаемость среды (безразмерная вeличина в CGSM). За единицу тока в CGSM принимают такой ток, который, протекая по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 2 см друг от друга в вакууме (m = 1), вызывает силу взаимодействия между ними, равную 1 дине на 1 см длины проводника. Из (7) следует, что размерность силы тока:
Точные эксперименты, проведенные Вебером В. и Кольраушем Ф. (1856 г.), Столетовым А. Г. (1876 г.), Эйхенвальдом А. А. (1901 г.) показали, что отношение единиц силы тока в системах CGSE и CGSM численно равно: Где
Таким образом, электродинамическая постоянная совпадает со скоростью света в вакууме не только по абсолютной величине, но имеет размерность скорости. Численное значение Из (8) следует, для выражения одного и того же тока в системе CGSE используется число, которое в Следовательно, единица тока системы CGSE: в
рис. 5.
На рис. 5 показана принципиальная схема для определения величины Если конденсатор емкостью
где Значение тока в системе CGSM определяется с помощью тангенс – гальванометра, если известна горизонтальная составляющая
где
Величина Из (9) и (10) легко получим:
Порядок выполнения работы таков: - собрать схему установки в соответствии с рис. 5; - установить тангенс – гальванометр так, чтобы его обмотка находилась в плоскости геомагнитного меридиана; - замкнуть цепь переменного тока и цепь постоянного тока, - измерить вольтметром напряжение - По (11) определяют величину - Изменяют направление тока ив обмотке тангенс гальванометра, поменяв метами концы проводников, подходящих к его зажимам. При этом стрелка будет отклоняться в сторону, противоположную отклонению при первом измерении. Снова измеряют угол - Вычислить среднее значение - Определить абсолютную и относительную ошибки в определении величины -
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ: - рассказать о принципах построения системы единиц CGSE и CGSM, - определить единицы тока в обеих системах, - объяснить устройство и принцип действия тангенс – гальванометра, - дать определение основным элементам земного магнетизма.
ЛИТЕРАТУРА: Рублев Ю.В., Кортнев А.В., Куценко А.Н. Практикум по электричеству. М. : Высшая школа, 1971. Гольдин Л.Л. руководство к лабораторным занятиям по физике. М. : Наука, 1973. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество. М. : Наука, 1987. Иверонова В.И. физпрактикум. М. : Наука, 1968. |