Коротка теорія - студопедія
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Укаїни
БАШКИРСЬКА державний університет
Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи № 12 по електриці
ДОСЛІДЖЕННЯ магнітного поля Землі І ВИЗНАЧЕННЯ електродинамічних ПОСТІЙНОЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ТАНГЕНС-гальванометр
Друкується за рішенням кафедри загальної фізики
ДОСЛІДЖЕННЯ магнітного поля Землі І ВИЗНАЧЕННЯ електродинамічних ПОСТІЙНОЇ ЗА ДОПОМОГОЮ ТАНГЕНС-гальванометра.
Мета роботи. вивчення будови і принципів роботи тангенс-гальванометра, Визначення горизонтальної складової магнітного поля Землі, визначення електродинамічної постійною.
Прилади й приналежності. тангенс - гальванометр, джерела постійного і змінного струму, вольтметр, амперметр, батарея конденсаторів.
Наша планета, подібно до гігантського магніту, володіє магнітним полем (земний магнетизм або геомагнетизм).
Існування магнітного поля в будь-якій точці Землі можна встановити за допомогою магнітної стрілки. Якщо підвісити магнітну стрілку NS на нитки Lтак, щоб точка підвісу співпадала з центром ваги стрілки, то стрілка стає по напрямку дотичної до силової лінії магнітного поля Землі. У північній півкулі - південний кінець буде нахилений до Землі і стрілка складе з горизонтом кут нахилу # 952; (На магнітному екваторі нахил # 952; дорівнює 0). Вертикальна площина, в якій розташується стрілка, називається площиною магнітного меридіана. Всі площини магнітних меридіанів перетинаються по прямій NS, а сліди магнітних меридіанів на поверхні Землі сходяться в магнітних полюсах N і S. Так як магнітні полюси не збігаються з географічними полюсами, то стрілка буде відхилена від географічного меридіана. Кут який утворює вертикальна площина, що проходить через стрілку (тобто магнітний меридіан) з географічним меридіаном, називається магнітним відміною # 945 ;.
Існуючі в даний час теорії Земної магнетизму можна розбити на дві групи:
Теорії, що пояснюють наявність магнітного поля електричними струмами, що циркулюють на великих глибинах в рідкому ядрі Землі.
Теорії, засновані на припущенні, що земна кора містить в різних своїх ділянках різну кількість магнітних порід.
Однак походження магнітного поля Землі в даний час ще не з'ясовано
Характеристикою магнітного поля Землі, як і будь-якого магнітного поля, служить вектор магнітної індукції і його складові. Для розкладання вектора на складові зазвичай приймають прямокутну систему координат, в якій вісь орієнтують у напрямку географічного меридіана, а вісь - у напрямку паралелі, при цьому позитивним вважається напрямок осі на північ, а осі - на схід. Третя вісь в такому випадку прийме вертикальне положення.
На рис. 1 зображений вектор і його проекції на координатні осі і площину XY. Проекція цього вектора на вісь X північній складової і позначається X. проекція на вісь Y називається східної складової Y і проекція на вісь Z вертикальної складової Z.
Проекція на площину XOY називається горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі:
Площина. в якій лежить вектор. називається площиною магнітного меридіана, а кут між цією площиною і площиною - магнітним відхиленням.
Схиляння, нахил, горизонтальна складова, а також складові: північна, східна і вертикальна - називаються елементами Земної магнетизму.
Визначення горизонтальної складової 0 зручно зробити за допомогою так званого ТАНГЕНС-гальванометр, пристрій якого показано на рис. 2.
Розглянемо кругової провідник, радіусу складається з витків, розташованих у вертикальній площині геомагнітного меридіана. У центрі кругового провідника помістимо магнітну стрілку, що обертається навколо вертикальної осі. Якщо по котушці пропустити струм. то виникає магнітне поле індукції струму, спрямоване перпендикулярно до площини котушки.
Таким чином, на магнітну стрілку будуть діяти дві взаємно перпендикулярні складові індукції: магнітного поля Землі і магнітного поля струму. Магнітна стрілка відхиляється на кут # 946 ;, тобто встановлюється у напрямку рівнодіючої i. - по діагоналі паралелограма, сторонами якого будуть струму і 0
Легко бачити, що
Де - постійна (для даної точки Землі) тангенс гальванометра.
Слід пам'ятати, що (2) є наближеною, т. Е. Вірною тільки в тому випадку, коли розмір магнітної стрілки багато менше радіуса кругового струму. В іншому випадку кінцева довжина стрілки вимагає внесення певних поправок. Можна показати, що якщо магнітна стрілка поміщається в центрі кругового струму, а на відстані від нього, то в цьому випадку поле
Нижче буде показано, що найсприятливіший для вимірювань значення кута буде в тому випадку, коли цей кут близький до.
Схема установки приведена на рис. 3.
Б - джерело напруги,
П - перемикач напруги струму в тангенс - гальванометр,
ТГ - тангенс - гальванометр
Визначення горизонтальної складової магнітного поля Землі.
· Зібрати схему на рис. 3;
· Повертаючи підставку гальванометра, встановити його котушку так, щоб вона лежала в площині геомагнітного меридіана:
· Чи включають струм в обмотку тангенс - гальванометра, і вимірюючи його величину за допомогою реостата. домагаються повороту стрілки на кут. фіксують це значення струму i1. Потім змінюють положення перемикача П, знову домагаються повороту стрілки на кут 45 # 730 ;, фіксують значення струму i2.
· Розраховують це значення струму і обчислюють за (2) значення (в Тл). Вважаючи = 100 витків, = 10,25 см;
· Оцінюють по (3) максимальну похибку вимірювання. вважаючи що значення відомо точно, а абсолютна похибка не перевищує половини розподілу лімба і відносна похибка у вимірі струму визначається лише класом точності миллиамперметра.
Оскільки котушку тангенс - гальванометра важко точно встановити в напрямку північ - південь. Можна проводити вимірювання без попередньої орієнтування котушки, фіксуючи кути і від початкового положення для обох напрямків струму певної величини.
З рис. 4 видно, що:
де і - індукція поля котушки при різних напрямках струму в ній.
користуючись (4) можна визначити без попередньої орієнтування котушки тангенс - гальванометра;
- скориставшись формулою (4) визначити значення без попередньої орієнтування котушки тангенс - гальванометра. Вимірювання провести при декількох значеннях струму в ланцюзі котушки (3 - 4 значення) і за отриманими значеннями визначити її середнєарифметичну величину;
- вивести умову, за якої найбільш вигідно виробляти вимір. отримавши формулу:
Визначення електростатичного постійної за допомогою тангенс-галльванометра.
Основними е6дініцамі в системі CGSE є 1 см, 1 г і 1 с. Кількість електрики (заряд) в цій системі визначається із закону Кулона:
де - діелектрична проникність середовища (в CGSE - величина безрозмірна).
За одиницю заряду в системі CGSE приймається такий заряд, який взаємодіє в вакуумі (= 1) з рівним за величиною зарядом, що знаходиться на відстані 1 см, з силою в 1 дин = 10 -5 М.
З (6) випливає, що розмірність заряду:
Оскільки струм визначається кількістю електрики, що пройшов через поперечний переріз провідника за 1 с (), його розмірність дорівнює:
Безпосереднє вимірювання струму в системі CGSE утруднено. тому в даній вправі величина визначається шляхом вимірювання ємності конденсатора і різниці потенціалів на його обкладках.
За одиницю різниці потенціалів відповідно до формули приймається різниця потенціалів між двома точками, переміщення одиничного заряду між якими супроводжується витратою роботи в 1 Ерг. Розмірність різниці потенціалів:
За одиницю ємності [C]. приймається ємність провідника, при повідомленні якому заряду в 1 од. CGSE [x] потенціал провідника змінюється на 1 од. CGSE [U] розмірність ємності див.
Основними одиницями системи CGSM є 1 см, 1 г, 1 с. Струм в цій системі визначається на основі визначення сили взаємодії двох нескінченні довгі паралельних провідників:
де і - струми в провідниках,
r - відстань між ними.
l - відрізок провідника, на якій розраховується сила,
m - магнітна проникність середовища (безрозмірна вeлічіна в CGSM).
За одиницю струму в CGSM приймають такий струм, який, протікаючи по двох паралельних провідниках нескінченної довжини і мізерно малого поперечного перерізу, розташованим на відстані 2 см один від одного у вакуумі (m = 1), викликає силу взаємодії між ними, що дорівнює 1 дині на 1 см довжини провідника.
З (7) випливає, що розмірність сили струму:
Точні експерименти, проведені Вебером В. і Кольраушем Ф. (1856 г.), Столєтова А. Г. (1876 г.), Ейхенвальда А. А. (1901 г.) показали, що ставлення одиниць сили струму в системах CGSE і CGSM чисельно дорівнює:,
Де - електростатична постійна, розмірність, якої дорівнює:
Таким чином, електродинамічна постійна збігається зі швидкістю світла у вакуумі не тільки за абсолютною величиною, але має розмірність швидкості. Чисельне значення може бути визначено, якщо струм однієї і тієї ж величини вимірювати в обох системах одиниць. У даній роботі ток в системі CGSM будемо вимірювати за допомогою тангенс - гальванометра, а в системі CGSE - непрямим шляхом. Спостерігаючи розряд конденсатора.
З (8) випливає, для вираження одного і того ж струму в системі CGSE використовується число, яке в раз більше, ніж для вираження того ж струму в системі CGSM.
Отже, одиниця струму системи CGSE: в раз менше одиниці струму системи CGSM:
На рис. 5 показана принципова схема для визначення величини. Електромагнітний переривник П поперемінно замикає контакти M і N, тим самим заряджає конденсатор і розряджає його через обмотку тангенс - гальванометра ТГ. Напруга на пластинках конденсатора вимірюється вольтметром. Подається напруга регулюється потенціометром.
Якщо конденсатор ємністю. заряджений до потенціалу розрядити через витки тангенс - гальванометра. То через них протече заряд. Якщо раз в секунду послідовно заряджати конденсатор від джерела струму і розряджати через витки гальванометра, то через них протече заряд. Середній струм, що проходить через витки, буде дорівнює:
де і - виражені в системі CGSE.
Значення струму в системі CGSM визначається за допомогою тангенс - гальванометра, якщо відома горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі:
де і - радіус і число витків котушки тангенс - гальванометра,
- кут відхилення магнітної стрілки.
Величина в (10) повинна бути виражена в Ерстед, а радіус - в см.
З (9) і (10) легко отримаємо:
Порядок виконання роботи такий:
- зібрати схему установки відповідно до рис. 5;
- встановити тангенс - гальванометр так, щоб його обмотка перебувала в площині геомагнітного меридіана;
- замкнути ланцюг змінного струму і ланцюг постійного струму,
- виміряти вольтметром напругу і кута повторюють 3 - 4 рази, щоразу замикаючи і розмикаючи ланцюг постійного струму. З отриманих значень знаходять середнє.
- По (11) визначають величину. при цьому різниця потенціалів повинна бути виражена в системі CGSE. Значення прийняти рівним 0.14 Е.
- Змінюють напрямок струму верб обмотці тангенс гальванометра, помінявши предметами кінці провідників, що підходять до його затискачів. При цьому стрілка буде відхилятися в сторону, протилежну відхиленню при першому вимірі. Знову вимірюють кут і напруга;
- Обчислити середнє значення;
- Визначити абсолютну і відносну помилки у визначенні величини.
- розповісти про принципи побудови системи одиниць CGSE і CGSM,
- визначити одиниці струму в обох системах,
- пояснити пристрій і принцип дії тангенс - гальванометра,
- дати визначення основних елементів земного магнетизму.
Рубльов Ю.В. Кортнєв А.В. Куценко О.М. Практикум з електрики. М. Вища школа, 1971.
Гольдін Л.Л. керівництво до лабораторних занять з фізики. М. Наука, 1973.
Савельєв І.В. Курс загальної фізики. Електрика. М. Наука, 1987.
Іверонова В.І. фізпрактікум. М. Наука, 1968.