Методика и техника эксперимента В любой точке пространства, окружающего Землю, существует магнитное поле, которое называется основным геомагнитным полем. Магнитное поле Земли слагается из двух частей, различных по происхождению. Постоянное (или точнее «устойчивое») поле порядка 39,8 А/м. Оно различно в различных точках земной поверхности и подвержено медленным («вековым») изменениям. Существование его обусловлено магнетизмом самого земного шара. Переменное поле (или магнитные вариации), не превышающее, как правило, по величине 1% постоянного поля, вызывается электрическими токами, текущими в верхних проводящих слоях земной атмосферы (ионосферы) или даже за ее пределами.
Таким образом, Земля представляет собой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный полюс S, а вблизи южного географического – северный магнитный полюс N.
До настоящего времени нет законченной теории, объясняющей происхождение магнитного полюса Земли и его особенностей. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а также отчасти с намагниченностью горных пород и токами в радиационных поясах, охватывающих Землю.
Сложную картину основного геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем однородно намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,50 к оси вращения Земли (рис.5.6).
Отклонение действительного распределения геомагнитного поля однородно намагниченного шара называют магнитными аномалиями. Локальные магнитные аномалии могут быть вызваны неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов.
В каждой точке пространства геомагнитное поле характеризуется вектором напряженности магнитного поля Н, который может быть представлен в виде двух составляющих – горизонтальной Н0и вертикальной Н1.
В данной работе предлагается определить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли Н0.Для измерения используется прибор, называемый тангенс-гальванометром. Он представляет собой кольцо, расположенное в вертикальной плоскости, на которое намотано N витков провода. В центре этого кольца в горизонтальной плоскости установлен компас.
Перед началом измерений витки тангенс-гальванометра располагают в плоскости магнитного меридиана (плоскости, проходящей через данную точку земной поверхности и магнитный полюс Земли), то есть по направлению магнитной стрелки (рис. 5.7).
Если подсоединить витки тангенс-гальванометра к источнику постоянного тока, то этот ток создает в центре витков магнитное поле, вектор напряженности которого Н1будет перпендикулярен к плоскости витков и, следовательно, к плоскости магнитного меридиана. Напряженность магнитного поля в центре кругового тока можно определить из формул:
В = и В = µµ0Н (µ = 1).
Так как поле создается N витками провода, то получаем:
Н1 = . (5.9)
Согласно принципу суперпозиции напряженность магнитного поля в центре витков является векторной суммой напряженности магнитного поля Земли Н0 и напряженности магнитного поля токов Н1:
Н = Н0 + Н1.
В результате совместного действия двух магнитных полей, магнитная стрелка устанавливается под некоторым углом α к плоскости магнитного меридиана. Из рисунка видно, что:
Н0 = . (5.10)
Следовательно, горизонтальная составляющая магнитного поля Земли может быть рассчитана, как:
Н0 = . (5.11)
В экспериментальной установке, электрическая схема которой изображена на рис.5.8, ток в кольце создается с помощью низковольтного источника постоянного тока Б, его величина регулируется реостатом и измеряется амперметром.
Порядок выполнения работы
1. Включить установку.
2. Поворачивая тангенс-гальванометр, установить плоскость витков тангенс-гальванометра в плоскости магнитного меридиана (стрелка компаса параллельна кольцу).
3. Вращая лимб тангенс-гальванометра, установить конец магнитной стрелки на нулевое деление шкалы (α = 0).
4. Изменяя реостатом силу тока в цепи, установить на амперметре значение силы тока I= 0,4 А.
5. По шкале тангенс-гальванометра определить угол отклонения магнитной стрелки α. Результаты измерений занести в таблицу 5.1.
Т а б л и ц а 5.1
№ опыта
| I,А
| ΔI, А
| α˚
| Δα,
рад
| R, м
| N
| Н0,
А/м
| Нср.,
А/м
| ΔН0,
А/м
|
|
|
|
| |
| | | | |
| | | | | | | | | |
| | | | | | | | | | 6. Определить углы отклонения магнитной стрелки α, соответствующие токам I= 0,5 А и I = 0,6 А.
7. Занести в таблицу измерений данные о параметрах установки.
8. По расчетной формуле (5.11) найти значения Н0.
9. Найти среднее значение горизонтальной составляющей.
10. Рассчитать абсолютную ΔН и относительную Е погрешности измерений по формулам:
ΔН0 = Н · ; Е = ·100%,
где ΔI = ; Δα = 10 , γ – класс точности амперметра, Iн – номинальное значение тока. Из формулы видно, что абсолютная ошибка будет уменьшаться при увеличении силы тока I и синуса угла 2α. Максимальное значение sin2α равно единице, отсюда следует, что угол α равен 45о, а Δα = 1º = 0,0175 рад. Таким образом, расчет горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и погрешности , следует проводить при углах α ≈ 45о, то есть в области наименьших ошибок.
11. Рассчитать теоретическое значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли по формуле:
Н0 =
где рm = 8,17·1021 А/м – магнитный момент Земли;
R = 6,37·106 м – радиус Земли;
φ = 520 – широта Иркутска.
12. Записать результат в виде: Н0= (Нср ± ΔН0) А/м. Сделать вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Какими физическими величинами характеризуется магнитное поле? В каких единицах они измеряются?
2. Какие существуют гипотезы относительно происхождения магнитного поля Земли?
3. Запишите закон Био-Савара-Лапласа. Примените его к расчету напряженности (или индукции) магнитного поля в центре кругового тока.
4. В чем заключается принцип суперпозиции полей?
5. Опишите принцип работы тангенс-гальванометра и выведите расчетную формулу.
Лабораторная работа
|