Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля землі тангенс-гальванометром

Лабораторна робота № 1
ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНІЙ СКЛАДОВОЇ НАПРУЖЕНОСТІ магнітного поля Землі

ТАНГЕНС-гальванометр
Мета роботи: визначити горизонтальну складову земного магнітного поля за допомогою приладу, званого тангенс-гальванометром.
Прилади й приналежності:

  1. Тангенс-гальванометр (число витків n = 65 витків, радіус витків дорівнює 14 см);

  2. Міліамперметр типу ЛМ - 1;

  3. Реостат зі змінним контактом (200 Ом);

  4. акумулятор;

  5. комутатор;

  6. ключ;

  7. З'єднувальні дроти.

^

теоретичне введення

Земля являє собою величезний природний магніт, полюса якого розташовуються недалеко ( 300 км) від географічних полюсів: поблизу північного географічного полюса розташований південний магнітний полюс S. а поблизу південного географічного - північний магнітний полюс N.

Ч ерез магнітні полюси Землі можна провести лінії великих кіл - магнітні меридіани (рис. 1). За останніми даними магнітне поле Землі пов'язане з струмами, циркулюючими по поверхні ядра Землі, а почасти з намагніченістю гірських порід і струмами в радіаційних поясах Землі. Магнітне поле Землі в першому наближенні збігається з магнітним полем диполя (прямого магніту), який міститься в центрі Землі.

Якщо в даній точці Землі вільно підвісити магнітну стрілку (тобто підвісити за центр мас так, щоб вона могла повертатися і в горизонтальній і у вертикальній площинах), то вона встановиться у напрямку напруженості магнітного поля Землі в даній точці.

Магнітне поле Землі зручно характеризувати трьома елементами: горизонтальної складової НЗ. магнітним відміною  (кутом між географічним і магнітним меридіанами) і магнітним нахилом  (кут між вектором і площиною горизонту). Знання НЗ.  і  дає можливість визначити величину і напрямок вектора напруженості магнітного поля Землі в даній точці.

Магнітне поле Землі підтвердили добовим, річним, віковим і т.п. коливань. Відповідно змінюються і елементи земного магнетизму.

Відзначимо, що магнітна стрілка або рамка зі струмом встановлюється в певному напрямку під дією вектора ІНДУКЦІЇ магнітного поля, а не вектора напруженості. Але в силу усталеною традицією зазвичай говорять про вектор напруженості.

Якщо магнітна стрілка може обертатися тільки близько вертикальної осі, то під дією горизонтальної складової магнітного поля Землі вона встановлюється в площині магнітного меридіана. Це властивість магнітної стрілки використовується в приладі, який називається тангенс-гальванометр, для визначення величин горизонтальної складової напруженості магнітного поля НЗ.

Тангенс-гальванометр є плоскою вертикальну котушку радіуса R з числом витків n. У центрі котушки в горизонтальній площині розташований компас. Магнітна стрілка компаса при відсутності струму в котушці буде розташовуватися по магнітному меридіану Землі NS.

П оворачівая котушку близько вертикальної осі можна домогтися суміщення площині котушки з площиною магнітного меридіана. Якщо після такої установки котушки по ній пропустити струм, то магнітна стрілка повернеться на деякий кут . Пояснюється це тим, що на магнітну стрілку буде діяти два поля. Зовнішнє поле - це горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі - НЗ і друге поле, створене струмом Нт (рис. 2).

Під дією цих двох полів магнітна стрілка займе таке положення, при якому рівнодіюча цих полів буде збігатися з лінією, що з'єднує полюси стрілки.

На малюнку 2 NS - напрямок магнітного меридіана Землі; А та В перетину витка котушки горизонтальною площиною; N1S1 - магнітна стрілка компаса, поміщена в центрі котушки; Нз - вектор горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі; Нт - вектор напруженості магнітного поля, створеного струмом в котушці (визначається за правилом свердлика).

У точці А ток йде на нас (показаний крапкою). У точці В ток йде від нас (показаний хрестиком). Магнітне поле струму (вектор Нт) направлено перпендикулярно і площини витків.

З малюнка 2 видно, що
(1)

(2)
Довжина магнітної стрілки компаса повинна бути набагато менше радіуса R котушки, щоб магнітне поле можна було б вважати однорідним в тій області, де знаходиться стрілка, а напруженість - рівної напруженості в центрі котушки.

Магнітне поле струму залежить від геометрії джерела магнітного поля, від величини струму, що протікає по провіднику.

Застосовуючи закон Біо-Савара-Лапласа, можна легко знайти напруженість магнітного поля в центрі кругового струму, що має n витків. отримаємо

(3)
Підставляючи значення Н з формули (3) в формулу (2), знаходимо

Порядок проведення роботи



  1. З обер установку за схемою, зображеної на рис. 3.

Тангенс-гальванометр необхідно помістити не ближче 1 метра від інших приладів, так як магнітне поле приладів може чинити сильний вплив на магнітну стрілку тангенс-гальванометра.

  1. Комутатор поставити на будь-який напрямок струму. Дуже часто тангенс-гальванометр має регулюючі гвинти і рівень. За допомогою настановних гвинтів домагаються того, щоб стрілка могла вільно обертатися, не зачіпаючи шкалу лімба. Така «вільна» стрілка досить швидко встановлюється по магнітному меридіану і буде зберігати це положення.

  2. Обертають котушку близько вертикальної осі, спостерігаючи зверху, і надають їй такий стан, щоб вісь магнітної стрілки лежала в площині котушки. Тоді площина котушки буде поєднана з площиною магнітного меридіана. При цьому магнітна стрілка вказує на нульовий розподіл шкали лімба. Якщо це не так, то необхідно повернути компас навколо вертикальної осі.

  3. Задаються п'ятьма значеннями струмів, пропущених через витки котушки тангенс-гальванометра в межах 20-100 мА. Наприклад: 20, 40, 60, 70, 90 мА. Кожній величині струму відповідає свій досвід.

  4. Проводячи перший досвід, відповідний току 20 мА, необхідно:

  1. встановити реостат на потрібне опір (стрілка міліамперметра показує 20 мА) і замикають ключ К. До оли стрілка тангенс-гальванометра заспокоїться, проводять вимірювання гострого кута по обох кінцях стрілки, як показано на рис. 4.

  2. записують свідчення миллиамперметра і тангенс-гальванометра.

  3. комутатором змінюють напрямок струму в тангенс-гальванометра.

  4. вимірюють як і в першому випадку кути відхилення стрілки, ток повинен бути таким же як і раніше.

  5. результати заносять в таблицю.

  1. Проводять другий досвід, відповідний току 40 мА. І далі з усіма струмами. Всі результати заносять в таблицю.

  2. Для кожного досвіду обчислюють hз (де i - номер досвіду) за формулою (4), де витків котушки n = 65. а радіус витків R = 14 см.

Результати вимірювань і обчислень записують у таблицю.