11602

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Практическое освоение магнитометрического метода измерения горизонтальной составляющей напряженности индукции магнитного поля Земли. ПРИБОРЫ: 1.Тангенсгаль

Русский

2013-04-10

2.67 MB

313 чел.

Лабораторная работа № 13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Практическое освоение магнитометрического метода измерения горизонтальной составляющей напряженности (индукции) магнитного поля Земли.

ПРИБОРЫ:

1.Тангенс-гальванометр, число витков N = 4, радиус витка R = 0,14 м.

2.Амперметр Э-514 (0,5 А-1 А).

3.Реостат (30 Ом).

4.Выпрямитель ВСА-10.

5.Двойной ключ с перекрестием.

6.Соединительные провода.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Поэтому в любой точке на поверхности Земли и в окружающем пространстве обнаруживается действие магнитных сил. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли расположен у северных берегов Америки, примерно под 74 северной широты и 100 западной долготы, а северный полюс - в Антарктиде, под 60 южной широты и 143 восточной долготы. Схема силовых линий магнитного поля Земли показана на рис.1 (пунктиром показана ось вращения Земли NгSг).

Рис.1.

Схема силовых линий магнитного поля Земли

Направление магнитных силовых линий Земли установлено с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то последняя устанавливается по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии «синий»  конец стрелки будет наклонен к Земле и стрелка составит с горизонтом угол наклонения . Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол между магнитными и географическими меридианами называется магнитным склонением.

Силовой характеристикой любого магнитного поля является индукция В. Значение В Земли невелики и изменяются от 0,4210-4Т на экваторе  до 0,710-4Т у магнитных полюсов (напряженность геомагнитного поля меняется от 33,4А/м до 55,7А/м). Вектор индукции магнитного поля Земли В можно разложить на две составляющие: горизонтальную Вг и вертикальную Вв. Укреплённая на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной  составляющей Земли Вг. Магнитное наклонение , склонение и горизонтальная составляющая магнитного поля Вг  являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Направление вдоль оси х – географический меридиан.

Направление вдоль оси у – географическая параллель.

Направление вдоль оси z– к центру Земли.

– индукция магнитного поля Земли в данном месте.

Вг – горизонтальная составляющая индукции (направление геомагнитного меридиана).

Вв – вертикальная составляющая индукции.

– угол магнитного наклонения.

– угол магнитного склонения.

Плоскость, проходящая через ось Z и направление Вг, – плоскость магнитного меридиана.

Существование у Земли магнитного поля (основного, его вклад 99) объясняется процессами, протекающими в жидком металлическом ядре Земли, за счет которых возникает динамо-эффект. Динамо-эффект заключается в самовозбуждении  магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Этот эффект объясняет происхождение и поддержание магнитных полей планет с жидким ядром, Солнца и звёзд. Основное магнитное поле Земли до высот, приблизительно равных трём радиусам Земли, имеет дипольный* характер, на больших высотах структура поля значительно сложнее. Дипольный магнитный момент Земли, равный 81025 ед. СГС, образует с осью вращения Земли 11.5. Основное магнитное поле испытывает медленные вековые изменения. В разные геологические эпохи геомагнитное поле имело различную полярность, т.е. с периодом от сотен  тысяч лет до десятков миллионов лет происходит переполюсовка основного магнитного поля Земли. Переменное геомагнитное поле (~1%), порождаемое токами в магнитосфере и ионосфере, более неустойчиво. Сильные возмущения магнитосферы – магнитные бури сопровождаются появлением в верхних слоях атмосферы Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновских и низкочастотных излучений.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли измеряется в данной работе магнитометрическим методом. Магнитометрический метод основан на взаимодействии магнитного поля образца (в данном случае – катушки с током) и магнитной стрелки (т.е. магнитного поля Земли). Горизонтальную составляющую магнитного поля Земли определяют с помощью прибора, называемого тангенс-гальванометром. Схематически устройство этого прибора показано на рис.3. Он состоит из катушки - нескольких круговых проводников, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана (радиус витка и число витков указывается на приборе). В центре помещается магнитная стрелка. Она должна быть малой, чтобы можно было принимать действующую на полюса стрелки индукцию равной индукции в центре кругового тока.

Рис.3.

Тангенс – гальванометр.

Рис. 4.

Суперпозиция магнитного поля Земли и магнитного поля катушки,
ориентированной в плоскости магнитного меридиана.

Плоскость контура устанавливается перпендикулярно горизонтальной плоскости так, чтобы она совпала с направлением магнитной стрелки, т.е. была в плоскости магнитного меридиана. Ток, протекающий по контуру, создаёт магнитное поле Вк, действующее на магнитную стрелку и направленное перпендикулярно горизонтальной составляющей земного поля Вг. Под действием горизонтальной составляющей индукции поля Земли и поля контура стрелка установится по направлению равнодействующей индукции Вр. Из рис.4. видно, что:

Вк rtg     (1).

Индукция магнитного поля контура Вк в центре круга равна:

Вк=     (2),

где N – число витков контура,  I – ток,  протекающий в контуре (на рис. 4. условные направления токов указаны в кружках),  R– радиус контура.

Из (1) и (2) следует:

0  = Вr tg , откуда выразим Вг :

Вг = 0        (3).

Следует помнить, что формула (3) является приближенной, т.е. верной только в том случае, когда размер магнитной стрелки много меньше радиуса контура R. Наименьшая погрешность при измерениях получается при углах отклонения стрелки 45.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

(I вариант)

  1.  Собрать электрическую цепь по схеме I (рис.5). Цепь состоит из тангенс-гальванометра ТГ, амперметра А, реостата Rp, ключа К2, переключателя К1 и источника тока .

2. Амперметр необходимо поместить не ближе 1м от тангенс-гальванометра, так как магнитное поле амперметра может оказать сильное влияние на магнитную стрелку. При проведении опыта нужно остерегаться также влияние магнитного поля реостата и проводов (их лучше перевивать). Переключатель К1 поставлен в цепи для того, чтобы иметь возможность менять направление тока в тангенс-гальванометре. Буссоль тангенс-гальванометра снабжена арретиром.

3. Вращая катушку около вертикальной оси и наблюдая сверху, придать ей такое положение, при котором плоскость катушки будет параллельна магнитной стрелке. Это означает, что плоскость катушки будет совмещена с плоскостью магнитного меридиана.

4. Изменяя сопротивление реостата, добиться такого тока, чтобы угол отклонения стрелки был 10. Записать в таблицу величину этого тока I1.

5. Изменить переключателем К1 направление тока и вновь добиться такого тока I2, чтобы стрелка отклонилась на угол 10. Взять среднее значение силы тока.

6. Повторить опыт для разных углов, фиксируя величины сил токов. Подставляя последовательно значения tg и Iср. в формулу (3), найти значения Вг. Все результаты наблюдений и вычислений записать в таблицу:  
          
Таблица



I1

I2

Iсред

tg

Вг

Вг

(град.)

(А)

(А)

(А)

(Тл)

(Тл)

    

1

10

2

30

3

45

4

50

5

60

7.Исходя из формулы (3), получить формулу погрешности измерения Вг. При этом считать, что  известно точно,  не превышает одного деления лимба, выраженного в радианах, I определить по классу точности прибора.

8. Сделать вывод о соотношении величины погрешности и угла отклонения стрелки. Объяснить это соотношение. Дать рекомендации об оптимальных углах отклонения. Выбрать результат, для которого относительная погрешность измерения минимальна, и для этого случая вычислить Нг и   Нг.

9. Сравнить полученное значение Вr со значением, определяемым по картам, приведенным в приложении 2. Определить по картам значение Вв для Белгорода. Используя полученное экспериментальное значение Вr и взятое из карт Вв ,определить значение вектора индукции магнитного поля Земли и угол наклонения для Белгорода.

10. Используя карту значений магнитного склонения и определенный в пункте 9 угол наклонения, значения Вr, Вв и В, сделать (с соблюдением масштаба) чертеж, аналогичный рис.2, отражающий характеристики магнитного поля в Белгороде.

(II вариант)

Поскольку катушку тангенс-гальванометра трудно точно установить в направлении север-юг, можно производить измерение Вг без предварительной ориентировки катушки, фиксируя углы поворота стрелки 1  и 2 от начального положения стрелки для обоих направлений тока определённой величины. Из рис.6 видны следующие соотношения:

 (4),

где Вк1 и Вк2 – индукция поля катушки при различных направлениях тока в ней.

Рис. 6

Суперпозиция магнитного поля Земли и магнитного поля катушки
без предварительной ориентации катушки.

Решение системы (4) даёт:

Вг=0            (5).

Воспользовавшись формулой (5), определить значение Вг без предварительной ориентировки катушки тангенс-гальванометра. Измерения произвести при различных значениях тока в цепи катушки (для 3 значений) и по полученным значениям Вг определить ее среднеарифметическую величину.

I

1

sin 1

2

sin2

sin(1+2)

cos(1+2)

Bг

  Bг

(А)

(град)

(град)

(Тл)

(Тл)

     

1

2

3

ср

Сравнить результаты определения Вг и Вг по двум вариантам методики измерения, сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Оъяснить устройство и принцип действия тангенс-гальванометра;

2.Почему катушку тангенс-гальванометра следует ориентировать в направлении магнитного меридиана;

3.Если катушка тангенс-гальванометра не будет ориентирована в направлении магнитного меридиана, то как в таком случае определить горизонтальную составляющую Вг

4.Как определить полную индукцию магнитного поля в данном месте

5.Сформулировать законы Био-Саввара-Лапласа и Ампера, записать их векторно и скалярно.

6.Уметь выводить формулы индукции магнитного поля:

а) в центре кругового тока;

б) на оси кругового тока;

в) прямолинейного проводника с током (бесконечно длинного и конечных размеров).

Приложение 1

Таблица значений  sin  и  tg.

Градусы

sin

tg

10

0,1736

0,1736

20 

0,3256

0,3443

30

0,5

0,5774

40

0,6428

0,8391

45

1

50

0,7660

1,1420

60

0,8660

1,7320

70

0,9397

2,7470

80

0,9848

5,6710

Приложение 2

Рис.1. Карта напряженности нормального геомагнитного поля,Тн, 10-4  Тл,
эпоха
1980 г. 

Рис.2. Карта вертикальной составляющей Zн нормального геомагнитного поля, 10-4   Тл,
эпоха
1980 г. 

Рис.3. Карта горизонтальной составляющей Нн нормального геомагнитного поля, 10- 4 Тл,
эпоха
1980 г. 

Рис. 4. Карта значений магнитного склонения, град, эпоха 1980 г.

Рис. 5. Карта нормальных значений магнитного наклонения, град, эпоха 1980 г.

* Магнитный диполь – два магнитных заряда m различного знака, находящихся на некотором расстоянии l. Кулоновский магнитный момент диполя . Было доказано, что магнитных зарядов не существует, магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, однако понятие магнитного момента диполя осталось.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83659. Анализ цепей с индуктивно связанными элементами 150 KB
  Такие элементы могут связывать цепи электрически гальванически разделенные друг от друга. В том случае когда изменение тока в одном из элементов цепи приводит к появлению ЭДС в другом элементе цепи говорят что эти два элемента индуктивно связаны а возникающую ЭДС называют ЭДС взаимной индукции. Степень индуктивной связи элементов характеризуется коэффициентом связи 1 где М взаимная индуктивность элементов цепи размерность Гн; и собственные индуктивности этих элементов.
83660. Особенности составления матричных уравнений при наличии индуктивных связей и ветвей с идеальными источниками 118 KB
  В общем случае разветвленной цепи со взаимной индукцией матрица сопротивлений ветвей имеет вид Z . Здесь элементы главной диагонали комплексные сопротивления ветвей схемы; элементы вне главной диагонали комплексные сопротивления индуктивной связи i й и k й ветвей знак ставится при одинаковой ориентации ветвей относительно одноименных зажимов в противном случае ставится...
83661. Методы расчета, основанные на свойствах линейных цепей 165.5 KB
  Метод наложения Данный метод справедлив только для линейных электрических цепей и является особенно эффективным когда требуется вычислить токи для различных значений ЭДС и токов источников в то время как сопротивления схемы остаются неизменными. Аналитически принцип наложения для цепи содержащей n источников ЭДС и m источников тока выражается соотношением . 1 Здесь комплекс входной проводимости k й ветви численно равный отношению тока к ЭДС в этой ветви при равных нулю ЭДС в остальных ветвях; комплекс взаимной ...
83662. Метод эквивалентного генератора 123.5 KB
  как сумму двух составляющих одна из которых вызывается источниками входящими в структуру активного двухполюсника и источником ЭДС расположенным между зажимами 1 и 2 слева а другая источником ЭДС расположенным между зажимами 1 и 2 справа. Параметры эквивалентного генератора активного двухполюсника могут быть определены экспериментальным или теоретическим путями. В первом случае в частности на постоянном токе в режиме холостого хода активного двухполюсника замеряют напряжение на его зажимах с помощью вольтметра которое и равно ....
83663. Пассивные четырехполюсники 223.5 KB
  При анализе электрических цепей в задачах исследования взаимосвязи между переменными (токами, напряжениями, мощностями и т.п.) двух каких-то ветвей схемы широко используется теория четырехполюсников. Четырехполюсник – это часть схемы произвольной конфигурации, имеющая две пары зажимов (отсюда и произошло его название), обычно называемые входными и выходными.
83664. Электрические фильтры 146.5 KB
  Качество фильтра считается тем выше чем ярче выражены его фильтрующие свойства т. Классификация фильтров Название фильтра Диапазон пропускаемых частот Низкочастотный фильтр фильтр нижних частот Высокочастотный фильтр фильтр верхних частот Полосовой фильтр полоснопропускающий фильтр Режекторный фильтр полоснозадерживающий фильтр и где В соответствии с материалом изложенным в предыдущей лекции если фильтр имеет нагрузку сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому то напряжения и соответственно токи на...
83665. Трехфазные электрические цепи 108.5 KB
  Поэтому в энергетике строго следят за тем чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной. Можно было бы использовать систему в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами т.
83666. Расчет трехфазных цепей 143.5 KB
  Равенство модулей указанных сопротивлений не является достаточным условием симметрии цепи. Если к симметричной трехфазной цепи приложена симметричная трехфазная система напряжений генератора то в ней будет иметь место симметричная система токов. Такой режим работы трехфазной цепи называется симметричным.
83667. Применение векторных диаграмм для анализа несимметричных режимов 159 KB
  При этом будем проводить сопоставление с симметричным режимом работы цепи фазные напряжения и токи в которой будут базовыми. Для этой цепи см. 5 ; при этом сами токи и в силу автономности режима работы фаз при соединении нагрузки в треугольник такие же как и в цепи на рис. и для симметричной трехфазной цепи свойство уравновешенности доказано.