Землі за допомогою тангенс-гальванометра
Визначення горизонтальної складової напруженості
магнітного поля Землі
Мета роботи: визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.
Прилади й приналежності: тангенс-гальванометр. блок живлення для обмотки тангенс-гальванометра, перемикач напрямку струму ..
Короткий теоретичне введення
За сучасними уявленнями, магнітне поле Землі є диполь - двополюсний магніт. Ось земного диполя, або магнітоіда, кілька зміщена щодо осі обертання Землі, тому що магнітні полюси її не збігаються з географічними: Південний магнітний полюс нині розташовується в арктичному архіпелазі Канади на 75 ° північної широти і 259 ° східної довготи. а північний - на 68 ° південної широти і 140 ° східної довготи. Крім того, магнітні полюси не залишаються на місці, а переміщуються - прецессируют по складній траєкторії навколо географічних полюсів.
Магнітне поле Землі має тороидальную форму (тобто форму бублика) з середньою напруженістю 39,8 А / м.
Напруженість геомагнітного поля відчуває періодичні коливання: а) добові; б) річні; в) вікові.
Вивчення залишкової намагніченості порід минулих часів дозволило встановити, що є і більш тривалі періоди коливання напруженості геомагнітного поля. Так, існує цикл в 8000 років, за час якого напруженість поля змінюється 2 - 3 рази. Але найцікавішими і важливими за наслідками є періоди інверсії. За одними джерелами приблизно в 1,5 - 2 млн років, а за іншими - в 100 тис. - 1 млн років відбувається зміна полюсів - північний полюс стає південним, і навпаки. У період такої інверсії магнітне поле Землі на час практично зникає зовсім. Механізм таких змін поки неясний. Імовірно встановлено. що за останні 700 тисяч років магнітне поле Землі 3 рази змінювало напрямки, причому кожна зміна тривало лише кілька століть, при загальній тривалості близько 3000 років. Це суперечить поширеному уявленню про те, що суттєва зміна полярності займає 2-4 тис. Років.
Одна з гіпотез, яка пояснює зміна магнітного поля Землі, пов'язана з повільним (100 тисяч років) розпадом магнітного поля. Ця гіпотеза зараз під сумнівом.
З прийнятих нині гіпотез може зберегтися «модель замороженого потоку». Відповідно до неї магнітне поле Землі «замкнено» у зовнішній частині ядра Землі, що складається з залізонікелевого сплаву. Рух ядра може призводити до різких змін магнітного поля Землі.
Істотний вплив на магнітне поле Землі надає Сонце, особливо в період своєї активності.
Геомагнітне поле Землі по теорії повинно бути зосереджено всередині певної області - своєрідної порожнини всередині потоку сонячної плазми. Форма цієї області визначається з умови рівності магнітного тиску всередині області і зовнішнього тиску сонячного вітру на її «стінки». Ця область називається магнітосферою Землі.
Магнітосфера схожа на пляшку або колбу. звернену дном до Сонця. Усередині цієї магнітної пляшки на відстані 10-12 земних радіусів знаходиться Земля. Під впливом магнітного поля Сонця і так званого сонячного вітру (тобто потоків сонячної радіації) геомагнітне
поле на стороні, зверненій до Сонця, стисло, на протилежній - нічній стороні - витягнуто у вигляді вузького «горлечка», або, як його зазвичай називають, «хвоста» магнітосфери. Як далеко йде в простір цей «хвіст», замикаються або замикаються на нічній стороні геомагнітні силові лінії або відбувається їх приєднання з силовими лініями міжпланетного магнітного поля, поки невідомо (рис. 1).
ще зовсім недавно існування міжпланетного магнітного поля ставилося під сумнів. В останні роки з даних, отриманих за допомогою ракет і космічних супутників. встановлено. що: 1) міжпланетне магнітне поле існує; 2) воно має складну структуру. Міжпланетне магнітне поле як би розділене на кілька секторів. Як правило, їх чотири. У двох з них магнітне поле направлено до Сонця, а в двох інших - від Сонця, тобто міжпланетне магнітне поле має квадрупольному структуру (рис. 2).
Уран. Магнітне поле Урана нахилене на 60 ° по відношенню до осі обертання. Передбачається, що магнітне поле - диполь, причому вісь диполя зміщена від центру на 1/3 радіуса планети. Напруженість близька до земної, але полярність зворотна. Через складного характеру обертання магнітосфери поле в просторі постійно змінює напрямок (ефект штопора).
Нептун. Магнітне поле Нептуна слабкіше не тільки планетгігантов, але і Землі, являє собою диполь і нахилене на 50 ° по відношенню до осі обертання. Магнітне поле зароджується не в центрі. а ближче до Південного магнітного полюса. Ніде подібного ще не траплялося!
Сатурн. Магнітне поле кілька сильніше земного. Ось диполя майже паралельна осі обертання планети.
Юпітер. Магнітне поле Юпітера має складний характер.
Максимальна напруженість поля досягає біля полюсів 9601120 А / м. Магнітосфера Юпітера - найдовша в Сонячній системі, в 10 разів більше діаметра Сонця.
З наведених даних випливає, що сильно нахиленими магнітними полями має Уран (60 °) і Нептун (50 °). Думки фахівців з цього питання розділилися.
Одні вважають, що це незвичайні стани. Просто ми застали момент зміни напрямку магнітних силових ліній планети. Адже на Землі, судячи за залишковим магнетизму геологічних порід, в минулому не раз мінявся напрям магнітного поля. Однак малоймовірно, щоб такі події у Нептуна і Урану збігалися за часом. Ймовірно, вважають інші вчені. такий стан магнітного поля для цих планет зазвичай.
Методика визначення горизонтальної складової
магнітного поля Землі Н0 і опис роботи
Прийнято вважати, що силові лінії магнітного поля виходять з Північного магнітного полюса і закінчуються на Південному магнітному полюсі, то, згідно з сучасними уявленнями про магнітне поле Землі, силові лінії магнітного поля починаються в Південній півкулі і закінчуються в Північній півкулі (рис. 3).
П
рис.3
лоскость, проведена через магнітну силову лінію і магнітні полюси, називається площиною магнітного меридіана. Лінія перетину цієї площиною поверхні Землі називається магнітним меридіаном. Так як напруженість магнітного поля Землі змінює свою орієнтацію при переході з Південної півкулі в Північну, то її можна розкласти на дві складові: горизонтальну Н0 і вертикальну Н В.
Горизонтальну складову напруженості магнітного поля Землі для даного географічного пункту визначають за допомогою приладу, званого тангенс-гальванометром. Схематично тангенс-гальванометр зображений на рис. 4
Прилад складається з одного або декількох витків мідного дроту, розташованих вертикально. У центрі витка на вертикальному вістрі поміщена магнітна стрілка. становище якої визначається по лімбу.
Якщо виток тангенс-гальванометра встановити в положення магнітного меридіана, то на стрілку діє горизонтальна складова магнітного поля Землі, і вона встановлюється на нульовій позначці шкали тангенс-гальванометра. Якщо пропустити струм через виток, то навколо витка з'явиться магнітне поле. Напруженість цього поля визначається за правилом правого гвинта, і напрямок вектора напруженості НТ залежить від напрямку струму в витку I.
У цьому випадку на магнітну стрілку діють два поля: магнітне поле Землі і магнітне поле витка зі струмом. В результаті магнітна стрілка відхиляється на кут φ, орієнтуючись по результуючої НР полів, тобто Н Р = Н0 + Н Т.
Т ак як вектор напруженості горизонтальної складової магнітного поля Землі і вектор напруженості магнітного поля витка зі струмом перпендикулярні, а
з векторної діаграми на рис. 5 отримаємо:
Напруженість в центрі витка зі струмом визначається за законом Біо-Савара-Лапласа:
Остаточно напруженість горизонтальної складової магнітного поля Землі можна виразити таким чином:
1. Проведіть вимірювання показань тангенс-гальванометра для 5 значень сили струму і двох протилежних напрямків струму, «поточного» по його витків.
2. Визначте чисельне значення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі.
Методика і техніка експерименту
1. Складіть електричне коло за схемою рис. 6.
2. Встановіть виток тангенс-гальванометра по магнітному меридіану.
3. Виміряйте свідчення тангенс-гальванометра по обох кінцях стрілки для 5 різних значень сили струму.
4. Проведіть попередні вимірювання, змінивши напрямок струму через виток за допомогою чотириполюсним перемикача.
5. Внесіть дані всіх вимірювань в таблицю.
6. Розрахуйте за формулою (1) величину горизонтальної складової магнітного поля землі Н0.
7. Розрахуйте похибка вимірювання Н0.
8. Запишіть кінцевий результат.
Питання і завдання для самостійної роботи
1. Отримайте формулу для розрахунку напруженості магнітного поля в центрі витка (витків) з струмом і проаналізуйте її. Як впливає власне магнітне поле стрілки на результати вимірювань?
2. Як впливає розмір магнітної стрілки на точність вимірювань?
3. Як оцінити неоднорідність магнітного поля витка зі струмом по його радіусу?
4. Зобразіть векторну схему результуючого магнітного поля тангенс-гальванометра.
5. З якою точністю потрібно вимірювати кути відхилення магнітної стрілки?
6. Намалюйте силові лінії власного магнітного поля магнітної стрілки. Зробіть висновок про характер магнітного поля.
7. Намалюйте силові лінії магнітного поля витка зі струмом. Зробіть висновок про характер магнітного поля.
8. У яких по величині магнітних полях струму точність вимірювання найбільша?
9. Як впливає величина магнітного поля струму на точність вимірювань?
10. Яким чином можна виміряти вертикальну складову магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра? Чи потрібно змінити його конструкцію і як це зробити?
11. У якому випадку вище точність вимірювання: один виток і великий струм I або N витків і малий струм I?
12. Запропонуйте інші способи вимірювання магнітного поля Землі.
13. Чому магнітне поле впливає на людину?
14. Як рухаються заряджені частинки в однорідному магнітному полі і неоднорідному? Наведіть загальні випадки такого руху.
15. Що являє собою ядро Землі з точки зору сучасної теорії? Як поводяться заряджені космічні частинки в магнітному полі Землі? Що відбувається з їх енергією?
16. Як впливають сторонні металеві предмети на точність вимірювання магнітного поля Землі?
17. Як впливають розміри витка тангенс-гальванометра на точність вимірювання? Який розмір є оптимальним? Як його оцінити?
18. У чому полягає відмінність магнітного поля Землі від полів інших планет?
19. Що є джерелом магнітного поля Землі?
20. Яким чином підтверджується періодичність зміни магнітного поля Землі?
21. Як знайти положення магнітного і географічного меридіана Землі?
22. У чому вимірюється періодичність коливань магнітного поля Землі?
23. Що таке сонячний вітер?
24. Що розуміють під інверсією магнітного поля Землі?
25. Дайте поняття магнітосфери Землі, міжпланетного магнітного поля і їх структури.