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

63 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

55309. Основні форми і особливості розвитку зовнішньоекономічних зв`язків України в сучасних умовах 25.7 KB
  Основні показники зовнішньої торгівлі: обсяг товарообігу, структура експорту та імпорту, сальдо зовнішньоторговельного балансу, географія торгівлі. Структура товарообігу обумовлена загальним економічним потенціалом країни; галузевою структурою економіки
55310. ОТ ПРОБЛЕМЫ В ОБУЧЕИИ К ПРОБЛЕМНОМУ ОБУЧЕНИЮ 81 KB
  Проблемное обучение предполагает творческое участие обучаемых в процессе освоения новых знаний формирование познавательных интересов и творческого мышления высокую степень органичного усвоения знаний и мотивации учеников. Содержание дидактической структуры урока...
55311. Проблемные ситуации на уроках математики 27 KB
  Сколько стоит покупка задачи с недостающими данными; В задачах этого типа отсутствуют некоторые данные вследствие чего дать точный ответ на вопрос задачи не представляется возможным.
55312. Диагностика познавательных процессов 118.5 KB
  Педагогическая диагностика - это подраздел педагогики изучающий принципы и методы распознавания и установления признаков характеризующих нормальный или отклоняющийся от норм ход педагогического процесса.
55313. Косичка 45.5 KB
  Воспитательная: содействовать воспитанию аккуратности Оборудование учителя: образец косички этапы ее изготовления заготовки косичек для учеников Оборудование ученика: гофрированная бумага клей картон Оформление доски...
55314. Спостереження за вимовою парних дзвінких і глухих приголосних звуків 2.02 MB
  Мета: Вчити дітей правильно вимовляти і писати слова із дзвінкими і глухими приголосними звуками поглибити уявлення школярів про дзвінкі і глухі приголосні звуки.
55315. Все про продукти 83.5 KB
  Today we’ll speak about food. We “go shopping” for food, even “cook” something but first I want you to remember that the fourth Thursday of November is a very special day in America. On that day people all over the USA celebrate Thanksgiving Day. Let’s solve a crossword and remember the main points of its existence...
55316. Формування мовно-літературної грамотності учнів 228 KB
  Основні завдання: Зміцнення статусу української мови як державної; Створення достатньої організаційної кадрової науковометодичної матеріальнотехнічної бази для забезпечення оптимальної ефективності процесу вивчення української мови та літератури з метою...
55317. Перші князі Київської держави 27 KB
  Назвіть імена київських князів про яких ви вивчали у молодших класах Учні згадують імена перших київських князів учитель записує їх на дошці в порядку їх правління. Перші князі були вільні духом благородні мужні кращі люди часів Київської Русі.