37935

Определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли. Методические указания

Лабораторная работа

Физика

Методические указания предназначены для студентов, изучающих раздел курса общей физики «Электричество и магнетизм». Приведены основные положения геомагнетизма и методика экспериментального определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс гальванометра.

Русский

2014-09-21

160.64 KB

114 чел.

10

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ  

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО  ПОЛЯ  ЗЕМЛИ

Методические указания

к  лабораторной работе № 47  

по  курсу общей физики

Уфа  2001


Составитель: С. А. Шатохин

Определение горизонтальной  составляющей магнитного  поля  земли.  Методические  указания к  лабораторной работе № 47 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Cост.: С. А. Шатохин. -Уфа, 2001. -  10 c.

Методические  указания  предназначены  для  студентов,  изучающих раздел курса общей физики «Электричество и магнетизм». Приведены основные положения геомагнетизма и методика экспериментального определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс  гальванометра.

Табл. 1 . Ил. 4. Библиогр.: 2   назв.

Рецензенты: В.Р. Строкина

Ф.Ш. Шарифьянов


Содержание

            стр

1.  Цель  работы 4

2.  Теоретическая  часть 4

2.1.  Магнитное поле Земли 4

2.2.  Магнитное поле кругового тока 5

2.3.  Метод определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли 7

3.  Описание установки и методики измерений 8

4.  Требования по технике безопасности 9

5.  Порядок выполнения работы 9

6.  Требования к отчету 10

7.  Контрольные вопросы 10

Список литературы 10


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №  47

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

1  Цель  работы

Целью данной работы является изучение магнитного поля кругового тока, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, расчет постоянной тангенс гальванометра.

 

2  Теоретическая  часть

2.1  Магнитное поле Земли 

Земной магнетизм (геомагнетизм) – это свойство Земли как небесного тела, обусловленное существованием вокруг нее магнитного поля. Магнитное поле Земли проявляется нагляднее всего своим действием на магнитную стрелку: свободно подвешенная магнитная стрелка устанавливается в каждой точке Земли в определенном положении, на чем и основано устройство компаса.

Магнитное поле Земли представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Причем в северном полушарии находится южный магнитный полюс, а в южном полушарии – северный магнитный полюс. Магнитная ось, то есть прямая, проходящая через оба магнитных полюса, наклонена примерно на 11 по отношению к оси вращения Земли и не проходит через центр земного шара. Поскольку магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением.

Силовые линии земного магнитного поля в общем случае не являются параллельными поверхности Земли. Поэтому вектор индукции магнитного поля в каждой точке земной поверхности составляет некоторый угол с плоскостью горизонта. Этот угол называется магнитным наклонением. Магнитное наклонение зависит от широты местности и изменяется от 0 до 90 при переходе из области магнитного экватора к магнитным полюсам Земли. На практике оказывается наиболее удобным измерять горизонтальную составляющую земного магнитного поля. Поэтому чаще всего величину магнитной индукции этого поля в той или иной точке Земли характеризуют величиной ее горизонтальной составляющей .

2.2  Магнитное поле кругового тока

Для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли используется прибор, называемый тангенс гальванометром, основным элементом которого является круговой виток с током, расположенный в вертикальной плоскости. В центральной части кольца в горизонтальной плоскости помещается магнитная стрелка с лимбом (рисунок  2.1).

 Плоскость

   горизонта

 Плоскость

   магнитного

    меридиана

Рисунок  2.1          

Величину и направление вектора индукции в центре кругового витка с током можно определить, используя закон Био-Савара-Лапласа, математическое уравнение которого имеет вид:

или в скалярной форме:

 

где  – магнитная постоянная;

 I – сила тока в проводнике;

      – вектор, совпадающий с направлением тока и равный по величине длине участка проводника;

       – радиус-вектор, проведенный от элемента тока в точку, где определяется индукция поля ;

      – угол между векторами и .

Закон Био-Савара-Лапласа выражает вклад в магнитное поле от отдельного малого участка dl проводника с током. Вектор в точке наблюдения перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора и , а его направление определяется правилом векторного произведения векторов: если вращать правый винт от первого вектора ко второму , то движение винта укажет направление векторного произведения [·].

Вектор магнитной индукции в центре витка с током будет определяться, в соответствии с принципом суперпозиции, векторной суммой полей создаваемых каждым элементом тока (рисунок  2.2):

Поскольку все вектора от каждого участка направлены одинаково – перпендикулярно плоскости витка (за чертеж), то результирующий вектор будет иметь то же направление. Его величину можно найти, вычислив сумму:

Учитывая, что

окончательно получим

 

В тангенс гальванометре поле создается катушкой из n витков, поэтому индукция в центре кольца определяется следующим образом :

2.3  Метод определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс гальванометра основано на сравнении величины с индукцией магнитного поля тангенс гальванометра в центре катушки. Действительно, при отсутствии тока в обмотке тангенс гальванометра магнитная стрелка под действием горизонтальной составляющей устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если совместить с этой же плоскостью плоскость кольца тангенс гальванометра, то при отсутствии тока по виткам прибора создается магнитное поле, вектор индукции которого в центре кольца будет перпендикулярен вектору (рисунок  2.3).

 

При этом магнитная стрелка тангенс гальванометра повернется на угол  и расположится вдоль результирующего вектора

 

Рисунок 2.3

Из рисунка 2.3 следует, что

Таким образом, зная угол отклонения магнитной стрелки и величину индукции магнитного поля, создаваемого витками тангенс гальванометра, можно вычислить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли:

 

или, принимая во внимание (2.7)

где

называется постоянной тангенс гальванометра.

3  Описание установки и методики измерений

Экспериментальная установка представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1

Экспериментальная установка состоит из вертикально расположенного кольца из немагнитного материала, радиусом R=9,5 см, на которое намотано несколько витков проволоки, образующих две катушки .

В ходе проведения измерений необходимо, чтобы плоскость кольца тангенс гальванометра совпадала с плоскостью магнитного меридиана. Для этого его необходимо установить так, чтобы магнитная стрелка была расположена по диаметру кольца. Для уменьшения погрешности измерений, связанных с точностью такой установки тангенс гальванометра, угол отклонения магнитной стрелки следует определять при двух направлениях тока в обмотке прибора. В лабораторной установке измерение направления тока осуществляется ключом (рис 3.1). Тогда, измеряя ' – угол отклонения в одном направлении и угол '' – в противоположенном, величина угла отклонения определяют как среднее значение ' и ''. Число витков в обмотке тангенс гальванометра устанавливается переключателем .

По окончании измерений, величина горизонтальной составляющей магнитного поля Земли рассчитывается по формулам (2.11) и (2.12).


4.  Требования по технике безопасности

4.1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием и оборудованием.

4.2. Проверьте заземление лабораторной установки и изоляцию токонесущих проводов.

4.3. Немедленно сообщите преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях.

4.4. Не загромождайте свое рабочее место оборудованием, не относящейся к выполняемой работе.

4.5. Не оставляйте без присмотра свою лабораторную установку, это может привести к несчастному случаю.

4.6. По окончании работы приведите  в порядок свое рабочее место. Обесточьте все лабораторные приборы.

4.7. Запрещается уходить из лаборатории без разрешения преподавателя.

5.  Порядок выполнения работы

5.1. Установить плоскость витков тангенс гальванометра в плоскости магнитного меридиана параллельно магнитной стрелке.

5.2. После проверки установки преподавателем установить значение силы тока в цепи тангенс гальванометра.

5.3. По указанию преподавателя установить значение силы тока в цепи тангенс гальванометра.

5.4. Измерить углы отклонения ' и '' магнитной стрелки при двух направлениях тока в катушке тангенс гальванометра.

5.5. Полученные значения занести в таблицу.

5.6. Повторить пп. 5.3–5.5 для других значений силы тока не менее трех и при разном числе витков.

5.7. Вычислить постоянную тангенс гальванометра и величину горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

5.8. Вычислить абсолютную и относительную погрешности определяемых величин.

Таблица 1

Число витков

Сила тока

Углы отклонения

Постоянная прибора

Горизонтальная составляющая

'

''

ср

 

 

6.  Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

  1. название и номер лабораторной работы;
  2. основные формулы для выполнения расчетов;
  3. таблицу с результатами измерений и вычислений;
  4. выводы по работе.

  1.  Контрольные вопросы

7.1. Что такое плоскость магнитного меридиана?

7.2. Как устроен тангенс гальванометр и каков принцип его работы?

7.3. Как формулируется закон Био-Савара-Лапласа?

7.4. Каким образом определяется направление индукции магнитного поля, создаваемого элементом тока?

7.5. Сформулируйте принцип суперпозиции полей.

7.6. Каким образом можно получить выражение для расчета индукции магнитного поля в центре кругового проводника с током?

7.7. В чем заключается принцип работы тангенс – гальванометра?

Список литературы

  1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. - М. : Наука. Физмат, 1998.
  2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.


   Составитель:  ШАТОХИН СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ  СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

МАГНИТНОГО  ПОЛЯ  ЗЕМЛИ 

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

к  лабораторной работе № 47  

Редактор Г.Р. Юнусова

ЛБ № 020258 от 01.01.98

Подписано к печати  31.08.01. Формат 80 х 64  1/16.

Бумага оберточная. Печать плоская. Усл. печ. л. 2,5.

Усл.-кр.-отт. 0,7.  Уч-изд.л. 0,6.  Тираж 300 экз.

Заказ №           . Бесплатно.

Уфимский  государственный  авиационный  технический  университет.

Уфимская типография № 2 Министерства печати и массовой информации Республики Башкортостан

450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15679. Великая Отечественная Война. 22 июня 1941 - 9 мая 1945 17.02 KB
  Великая Отечественная Война. 22 июня 1941 9 мая 1945 Вторая Мировая война составной частью которой была Великая Отечественная Война по своим масштабам разрушениям и жертвам не имеет себе равных в истории человечества. Рассмотрим основные битвы и сражения войны: Бр
15680. Пермь во время Великой Отечественной войны 12.81 KB
  Пермь во время Великой Отечественной войны Сражения войны прошли далеко за пределами Пермского края но вклад который внесли пермяки в общую победу над врагом поистине неоценим. Пермские формирования прошли славный путь и приняли участие во всех решающих сражениях
15681. Повесть о настоящем человеке 52.95 KB
  Повесть о настоящем человеке Великая Отечественная Война II Мировая Война Мы со слезами на глазах произносим эти слова но и с гордостью за то что выстояли это испытаниечто не сломалисьмы русский народ А как же создавалась победа А создавалась она героизмом и
15682. Причины и повод Второй мировой войны 73.68 KB
  А с чего все началось Прошло уже шесть с половиной десятилетий после окончания Великой Отечественной войны но до сих пор остаются нерешенными некоторые вопросы. До сих пор мы помним и с интересом рассуждаем о причинах Великой Отечественной Войны. Почему страна была
15683. УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ РОЗПОДІЛУ ТА ЗРОСТАННЯ ДОХОДІВ НАСЕЛЕННЯ В УКРАЇНІ 339.5 KB
  Розподіл доходів - це стадія відтворення, яка займає проміжне місце між виробництвом і споживанням. Реалізована на ринку про-дукція перетворюється на грошову виручку. Після вилучення з неї вартості спожитих засобів виробництва залишається грошовий...
15684. Методы политического влияния и манипулирования 203 KB
  Методы политического влияния и манипулирования Методы политического влияния Усиление роли политического влияния в жизни общества являясь симптомом перехода от тоталитарных форм правления к демократическим предопределяет интерес к механизмам осуществления влиян
15685. Психология воздействия 41.5 KB
  В современную эпоху главным орудием воздействия на массы стало телевидение. Как заявил в 1972 году директор французского ведомства по радио и телевидению ...в умелых руках телевидение превращается в невиданное ранее оружие. Тот кто владеет им может направлять общественн
15686. Воздействие политической пропаганды 127 KB
  Воздействие политической пропаганды И зучение воздействия на аудиторию массмедийных сообщений или символов политических по своей природе или имеющих политические последствия представляет собой одно из направлений широкой области исследований воздействия пол
15687. МАНИПУЛИРОВАНИЕ ЛИЧНОСТЬЮ: Организация, способы и технологии информационно-психологического воздействия 1.19 MB
  Георгий Грачев Игорь Мельник МАНИПУЛИРОВАНИЕ ЛИЧНОСТЬЮ:Организация способы и технологии информационнопсихологического воздействия Комплексно рассматривается проблема манипулирования людьми с использованием различных средств способов и технологий информаци