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 ВГ 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 BГ і BC буде прямим і величини BГ і BC 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 BГ 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 BГ, 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 BГ та HГ.
6. Знайти середні значення BГ та HГ та занести їх до таблиці 3.5.1.
Таблиця 3.5.1
| № пор. | I, A | j | jср | N | R, м | ВГ, Тл | НГ, 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.