42154

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС – ГАЛЬВАНОМЕТРА

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

Цель работы определение одного из элементов земного магнетизма – горизонтальной составляющей Н0 магнитного поля Земли с помощью тангенс – гальванометра. В точках Земли лежащих на магнитных полюсах напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление. В любой другой точке Земли напряженность ее магнитного поля можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие: Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитометра или магнитной стрелки.

Русский

2013-10-27

102.5 KB

60 чел.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я     Р А Б О Т А   № 4 – 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ                МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ

ТАНГЕНС – ГАЛЬВАНОМЕТРА.

Цель работы - определение одного из элементов земного магнетизма – горизонтальной составляющей (Н0) магнитного поля Земли с помощью тангенс – гальванометра.

                     ПОСТАНОВКА   ЗАДАЧИ

1. Элементы земного магнетизма.

Нашу Землю можно представить как огромный шаровой магнит. Поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис. 1.

                                                   S

                      

                                                                                     магнитный  

                                                                              экватор

                                                    N       географическая ось

                                                 Рис. 1.

Магнитные полюса Земли располагаются вблизи ( 300 км) от географических полюсов,  но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный  на севере, называют  Южным магнитным полюсом, а другой, расположенный на юге – Северным магнитным полюсом.     

Через магнитные полюса проходят магнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию большого круга – магнитный экватор, параллельно которому будут располагаться линии магнитных кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.  

В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление. В точках Земли, лежащих на магнитном экваторе – горизонтальное (точка В на рис. 1) направление. Вектор  направлен по касательной к силовой линии в данной точке. В любой другой точке Земли напряженность ее магнитного поля  можно разложить на вертикальную   и горизонтальную составляющие:

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитометра или магнитной стрелки. Если в данной течке Земли магнитную стрелку свободно подвесить на нити за центр масс так, чтобы она могла бы свободно поворачиваться  в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли в данной точке ( вдоль вектора ), рис. 2.

                                                                            плоскость

                                                              магнитного меридиана

                           L  

                                                                           сечение

                                                                         горизонтальной   

                                                                       плоскости

                            

                                                                                     

                                         Рис. 2

В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некоторый угол . Угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной составляющей (горизонтальной плоскостью) называется магнитным наклонением  (рис. 2). На магнитном экваторе наклонение равно нулю. Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана (рис. 2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются на прямой  NS (рис. 1). Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некоторый угол . Угол между направлениями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением ..  Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Значение углов склонения и наклонения , а также горизонтальной составляющей земного магнетизма позволяют определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, то есть подвержены суточным, годовым, вековым и т.д. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения – магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца.

2. Тангенс – гальванометр.

Тангенс – гальванометр представляет собой две катушки – кольца  Гельмгольца, намотанные на общем каркасе и расположенные в плоскости магнитного меридиана, то есть вертикально. Каркас укреплен на вращающейся подставке. Расстояние между катушками равно радиусу R каждой катушки. В этом случае между ними создается однородное магнитное поле. На оси катушек посередине закреплена буссоль -алюминиевое кольцо (лимб), разделенное на 3600. В центре лимба помещена подвижная магнитная стрелка на вертикальной оси. Она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей () магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана.

Тангенс – гальванометр изготовлен таким образом, что плоскость витков катушек всегда перпендикулярна плоскости, в которой вращается магнитная стрелка. Поворотом подставки тангенс – гальванометр надо повернуть таким образом, чтобы магнитная стрелка установилась против деления лимба 2700. В этом случае плоскость витков катушек будет совпадать с плоскостью магнитного меридиана, а направление стрелки будет соответствовать направлению юг – север и указывать направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли , рис. 3.

Если по катушкам Гельмгольца пропустить ток I, то возникает магнитное поле  и , создаваемые каждой катушкой в отдельности. Так как токи в катушках текут в одном направлении, то результирующая напряженность  будет равна  = +  (или в скалярной форме  HI = H1 + H2 ) и направлена вдоль оси катушек, то есть перпендикулярно плоскости витков и, следовательно, горизонтальной составляющей вектора  земного поля

                                            Рис. 3

Под воздействием двух взаимно – перпендикулярных магнитных полей: горизонтальной составляющей магнитного поля Земли  и магнитного поля тока катушек магнитная стрелка установится в направлении равнодействующей , то есть диагонали параллелограмма, построенного на векторах  и , рис. 3.

Из рис. 3 следует, что

                              HI = H0 tg .                                                           (1)

Напряженность поля в центре последовательно соединенных катушек определяется известной формулой

                                                                          .                                       (2)

где  I – сила тока, N – число витков в каждой катушке, R – радиус колец, - угол между осью магнитной стрелки и магнитным меридианом.

         Приравняем правые части соотношений (1) и (2). Тогда горизонтальную составляющую магнитного поля Земли можно определить как  

                                                                                                                                         (3)                                                                                  

Как следует из выражения (3), система двух катушек Гельмгольца с магнитной стрелкой в центре может быть использована для измерения силы тока текущего по цепи, если известно Н0. Отсюда название прибора, основанного на вышеописанном принципе: тангенс – гальванометр.

                   ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Соберите схему, представленную на рис. 4.

 

                                                                                           

                                                       Рис. 4

  1.  При выключенной электрической цепи поворотом подставки тангенс – гальванометра установите витки его катушек в плоскости магнитного меридиана (магнитная стрелка должна установиться против деления 0 = 2700).
  2.  Включите электрическую цепь катушек и, меняя величину тока потенциометром R, добейтесь поворота стрелки на 450, при этом получится конечное значение угла КОН. Показания амперметра IПР запишите в таблицу  (графа – прямой ток)
  3.  С помощью переключателя П измените направление подводимого тока и снова добейтесь отклонения стрелки на тот же угол = КОН - 0. Запишите значения тока IОБР в таблицу (графа – обратный ток) и вычислите среднее значение тока

                         < Ii > = (IПР + IОБР)/2

Прямой ток

Обратный ток

Ii=(Iпр+Iоб)/2

Ii=<I>-Ii

Ii2

R

Ri

Ri2

0

к

=к-0

Iпр,

А

к

=к-0

IОБР,А

1

2

3

4

5

2700

2700

2700

2700

2700

  1.  Проверьте нулевую установку прибора (0) и повторите измерения по пунктам 3 и 4 еще четыре раза для того же угла отклонения           = 450 . Результаты запишите в таблицу. Найдите среднее значение <>.
  2.  Вычислите среднее арифметическое значение силы тока <I>.
  3.  Измерьте радиус катушек 5 раз и найдите среднее значение <R>.
  4.  Усредненные значения <R>, <I> и < > подставьте в формулу (3) и найдите Н0 в системе СИ.
  5.  Из  формулы (3) выведите относительную и абсолютную погрешности результатов измерения.
  6.  Рассчитайте абсолютную и относительную ошибку результатов измерения.
  7.  Запишите окончательный результат

                         Н0 =<H>  H0 = …

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Дайте определение элементам земного магнетизма.
  2.  Изобразите силовые линии шарового магнита.
  3.  Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле Земли и поле тангенс – гальванометра?
  4.  Как направлен результирующий вектор напряженности магнитного поля катушек Гельмгольца относительно их плоскости?
  5.  Поясните смысл горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.
  6.  Объясните устройство и принцип действия тангенс – гальванометра.
  7.  Почему следует ориентировать плоскости катушек тангенс – гальванометра вдоль направления магнитного меридиана?
  8.  Почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения = 450?
  9.  Выведите формулу для напряженности магнитного поля в витке с током на его оси в точке, находящейся на высоте h от плоскости витка.

8


A

220 B

-

+

T-G

П

R

катушки

юг

  север

восток      


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34347. Основные свойства, классификация и назначение стеклянных изделий 22 KB
  Материалы и изделия из стекла применяемые в строительстве в зависимости от назначения разделяются на следующие группы: Материалы для заполнения проемов зданий и сооружений – наиболее обширная группа строительных материалов из стекла включающая листовые стекла различных видов и стеклопакеты; в свою очередь листовое стекло подразделяется на листовое оконное витринное полированное и неполированное армированное узорчатое увиолевое трехслойное закаленное и др.; Материалы для строительных конструкций – профильное стекло стеклоблоки;...
34348. Производство листового стекла, труб 24 KB
  Производство листового стекла труб. Это изделие из стекла в виде плоских листов отношение толщины которых к длине сравнительно невелико и составляет приблизительно 015 15. Стекольной промышленностью вырабатывается широкий ассортимент листового стекла: обычное оконное витринное полированное и неполированное армированное узорчатое увиолевое трехслойное и др. Производство строительного стекла включает следующие основные операции: подготовку сырьевых материалов приготовление стекольной шихты варку стекла формование изделий отжиг...
34349. Технология производства сортового и тарного стекла 21 KB
  Сфе изделия поступают на отжиг вырабатывают изделия бригадным способом. При механическом сплавах для формирования машины производятся изделия прем.
34350. Сравнительная экономическая оценка разных видов стекла 22.5 KB
  Сравнительная экономическая оценка разных видов стекла. Основными направлениями интенсификации прва стекла являются:1дальнейшие автоматизации техн прв; 2 расширение ассортимента и повышение качества стекла; 3реконструкция действующей прти; ;4 совершенствования техн прва стр стекла. Усовершенствование методов варки стекла предполагает увеличение площади покрытия пламенем зеркала шихты и стекломассы применением печей новых типов. велики амортизационные отчисления при его производстве – высокая стоимость оборудования для флотационного...
34351. Классификация, основные свойства и назначение минеральных вяжущих материалов 23 KB
  Минеральные вяжущие вещества по способности затвердевать и сохранять прочность на воздухе или в воде подразделяют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие вещества после смешивания с водой твердеют прочность получающегося камня сохраняется или повышается только на воздухе. Поэтому такие вяжущие применяют при возведении надземных сооружений не подвергающихся действию воды. Гидравлические вяжущие вещества обладают этими свойствами не только на воздухе но и в воде их применяют в надземных подземных...
34352. Технология производства портландцемента по сухому и мокрому способу 32 KB
  В зоне испарения до 200 С испаряется свободная вода происходит высушивание сырьевой смеси подсушенный материал комкуется. Дальнейшее высушивание смеси выгорание органических примесей начало дегидратации глины удаления химически связанной воды разрушение глинистых минералов происходит в зоне подогрева 200. В третьей зоне зоне декарбонизации 700. Термическая диссоциация СаСОз эндотермический процесс поэтому потребление теплоты в третьей зоне печи наибольшее.
34353. Технико-экономические показатели производства цемента 21 KB
  Техникоэкономические показатели производства цемента. Себестоимость цемента оказывает реш. расход цемента достиг. Себестоимость цемента зависит от вида исходного сырья топлива ТП и объема производства.
34354. Гипсовые вяжущие материалы, их производство и назначение 27 KB
  Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень CSO42H2O и природный ангидрит CSO4 а также отходы химической промышленности содержащие сернокислый кальций фосфогипс при переработке природных фосфатов в суперфосфат борогипс и др. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают тепловой обработкой двуводного гипса CSO42H2O при низких температурах 110.160 С с частичной его дегидратацией и переводом в полуводный гипс CSO405H2O. При этом двуводный гипс дегидратируется по реакции: CSO42H2O = =...
34355. Строительная известь. Производство, свойства, назначение 22.5 KB
  Строительная известь. известью называется вяжущее вещество получаемое в резте умеренного обжига и последующего помола кальциевомагниевых карбонатных горных пород известняка мела доломита с содержанием не более 6 глинистых примесей. Известь получают за счет разложения известняка: CCO3=CO CO2; MgCO3=MgOCO2. Полученная при обжиге карбонатных пород негашеная комовая известь затем поступает на помол или гашение.