42524

Определение горизонтальной составляющей индукции земного магнетизма с помощью тангенс-гальванометра

Лабораторная работа

Физика

Южный полюс магнитного поля Земли находится вблизи северных берегов Америки около 750 северной широты и 1010 западной долготы а северный полюс − в Антарктиде около 670 южной широты и 1400 восточной долготы. Существование магнитного поля Земли непосредственно подтверждается отклонением лёгкой магнитной стрелки при её свободном подвесе. При этом последняя устанавливается в направлении касательной к линии индукции магнитного поля Земли.

Русский

2013-10-30

102 KB

5 чел.

Лабораторная работа № 26

определение горизонтальной составляющей

индукции земного магнетизма с помощью

тангенс-гальванометра

Цель работы: изучить закон Био−Савара−Лапласа и применить его к нахождению индукции магнитного поля в центре кругового тока, экспериментально определить горизонтальную составляющую индукции земного магнетизма.

Оборудование: тангенс-гальванометр, реостат, миллиамперметр, переключатель, ключ, источник постоянного тока.

26.1. Краткие теоретические сведения

Земля представляет собой большой магнит. Магнитные полюса её не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли находится вблизи северных берегов Америки (около 750 северной широты и 1010 западной долготы), а северный полюс − в Антарктиде (около 670 южной широты и 1400 восточной долготы). Положение магнитных полюсов Земли со временем постепенно изменяется.

Существование магнитного поля Земли непосредственно подтверждается отклонением лёгкой магнитной стрелки при её свободном подвесе. При этом последняя устанавливается в направлении касательной к линии индукции магнитного поля Земли. Значение магнитного поля Земли невелико и изменяется в пределах от 4,210−5 Тл на экваторе до 710−5 Тл − вблизи магнитных полюсов.

Основными параметрами магнитного поля Земли являются: магнитное наклонение − угол между направлением вектора  и плоскостью горизонта (рис. 26.1; 1 − плоскость географического меридиана, 2 − плоскость магнитного меридиана), магнитное склонение (угол между горизонтальной составляющей вектора  и плоскостью магнитного меридиана) и горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли .

Приближённо магнитное поле Земли можно представить как поле однородно намагниченного шара. На магнитных полюсах магнитное наклонение = 900. Поэтому полная индукция и вертикальная составляющая индукции магнитного поля имеют одинаковые значения − магнитная стрелка стремится к вертикальному положению.

На магнитном экваторе ( = 00) полная индукция и горизонтальная составляющая  равны друг другу − магнитная стрелка устанавливается в горизонтальной плоскости. Схематически поле Земли изображено на рис. 26.2. Реальное поле имеет более сложный характер.

26.2. Теория метода и экспериментальная установка

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Индукция магнитного поля, создаваемого элементом тока в некоторой точке, определяется по закону Био−Савара−Лапласа

                                    (26.1)

где k − коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц: dl − элемент проводника: r − расстояние от dl до исследуемой точки А.

Модуль индукции магнитного поля

                                    (26.2)

где − угол между  и радиус-вектором .

Индукция , создаваемая всем проводником, равна векторной сумме , так как для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции

                                        (26.3)

Направление индукции магнитного поля тока определяется правилом векторного произведения векторов.

Пользуясь (26.2) и (26.3), можно найти напряжённость магнитного поля, создаваемого любым проводником с током.

Определим напряжённость Вт в центре кругового тока. В этом случае все элементы проводника перпендикулярны к радиус-вектору и sin = 1. Расстояние всех элементов проводника dl до центра круга одинаково и равно радиусу круга R:

                                      (26.4)

Все элементы тока создают индукции одинакового направления, перпендикулярно к плоскости витка. Поэтому полная индукция поля в центре кругового витка

                   (26.5)

Если витков n, то, . В СИ  ( − магнитная проницаемость среды), тогда

                                    (26.6)

Горизонтальную составляющую определяют с помощью тангенс-гальванометра. Он состоит из круглой рамки, расположенной вертикально, на которую намотано n плотно прилегающих друг к другу витков проволоки. В центре её на вертикальной оси закреплена небольшая магнитная стрелка, которая может свободно поворачиваться только в горизонтальной плоскости. Стрелка должна быть настолько малой, чтобы можно было считать индукцию, которая действует на полюса стрелки, такой же, как и в центре кругового тока.

При пропускании тока через рамку на магнитную стрелку действуют два магнитных поля: Земли и тока, который проходит по рамке тангенс-гальванометра.

Если рамка установлена в плоскости магнитного меридиана (рис. 26.3), то стрелка в результате установится под углом к направлению магнитного поля Земли. Тогда

                                           (26.7)

где Вт − индукция магнитного поля в центре кругового тока, вычисляемая по (26.6).

Подставив (26.6) в (26.7), получим рабочую формулу

                                    (26.8)

Примечание. При работе с тангенс-гальванометром вблизи него не должно быть металлических предметов. n = 300.

26.3. Порядок выполнения работы

  1.  

Установить плоскость витков тангенс-гальванометра в плоскости магнитного меридиана.

  1.  Собрать цепь по схеме (рис. 26.4).
  2.  Замкнуть переключатель полярности П и ключ К и, передвигая ползунок реостата, добиться отклонения стрелки гальванометра на 300, 400, 450, 500 и 600, записывая соответствующие силы тока.
  3.  Поменять направление тока в тангенс-гальванометре переключателем полярности П и добиться тех же отклонений стрелки.
  4.  Рассчитать индукцию Вг. Результаты занести в таблицу.
  5.  Вычислить погрешности.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Охарактеризовать основные параметры земного магнетизма.
  2.  Сформулировать закон Био−Савара−Лапласа.
  3.  Как определить направление индукции магнитного поля тока?
  4.  Сформулировать мнемоническое правило для определения направления магнитного поля тока.
  5.  Устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.
  6.  Вывести формулу индукции в центре кругового тока.
  7.  Почему витки тангенс-гальванометра необходимо устанавливать в плоскости магнитного меридиана?
  8.  Почему целесообразнее определять Вг при = 450?

[2, § 79; 3, § 102; 8]

181


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48846. Проектирование привода цепного конвейера 632 KB
  Коэффициент потерь одной зубчатой пары при тщательном выполнении и надлежащей смазке не превышает обычно 001. Коэффициент нагрузки: Cg= 1.45 Мпа; SH – коэффициент безопасности SH = 11; ZN – коэффициент долговечности учитывающий влияние ресурса. – продолжительность смены; kг=085 – коэффициент годового использования; kс=06 – коэффициент суточного использования.