Описание метода измерения и экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки приведена на рис.8 (вид сверху).

                        Рис.8   

Магнитометр – прибор для измерения напряженности магнитного поля. Он состоит из компаса и рамки с несколькими витками. Плоскости компаса и рамки взаимно перпендикулярны, причем центр стрелки компаса совпадает с центром рамки.

Магнитометр соединен последовательно с соленоидом и подключен к электрической схеме. Соленоид расположен на горизонтальном желобе, вдоль которого он может свободно перемещаться, оставаясь при этом коаксиальным с рамкой. Электрическая схема позволяет пропускать через соленоид и рамку ток заданной величины и направления, регистрируемые с помощью миллиамперметра.

Рис.9

В отсутствие тока в цепи стрелка направлена по горизонтальной составляющей магнитного поля Земли  и составляет с плоскостью рамки 00` некоторый угол (рис.9). Поворачивая желоб (а следовательно, соленоид и рамку) вокруг вертикальной оси, проходящей через центр стрелки компаса, совмещаем стрелку с плоскостью рамки (рис.10)

В этом случае плоскость витков рамки и соленоида будет в плоскости магнитного меридиана, что, как мы увидим далее, необходимо для выполнения измерений.

Произведя установку прибора в соответствии с рис.10, включаем электрическую схему и устанавливаем максимальную силу тока (~50 мА).

При этом на стрелку будут действовать магнитные поля рамки, соленоида и горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установиться по направлению результирующей этих полей и составит с плоскостью рамки 00`некоторый угол.

Магнитные поля рамки и соленоида имеют противоположное направления (если это не так, то следует перевернуть соленоид). Поэтому, перемещая соленоид по желобу, можно компенсировать магнитное поле рамки полем соленоида. В этом случае стрелка компаса вернется в плоскость рамки 00` (рис.10).

Напряженность магнитного поля соленоида и рамки пропорциональна протекающим через них токам. Последние оказываются равными, так как соленоид и рамка соединены последовательно. Поэтому стрелка компаса будет находиться в плоскости 00` и при любом другом значении силы тока в цепи.

Если теперь поместить внутри соленоида ферромагнитный сердечник,то стрелка повернется по направлению результирующей двух полей – поля сердечника  и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли  (рис.11).

 Так как вследствие установки прибора по рис.10  | , то можно по известному значению горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (на широте Москвы H_З=18А/м) и углу отклонения стрелки α определить значение напряженности поля, созданного сердечником соленоида в плоскости рамки.

                                            H_C = H _З tg α                                                        (8)

С другой стороны, напряженность магнитного поля на оси прямого магнита определяется по формуле

                                            ,                                          (9)

где P – магнитный момент сердечника;

X₁, X₂ – расстояние от концов сердечника до точки, в которой определяется напряженность поля, т.е. до плоскости рамки;

l= X₂ – X₁ – длина сердечника.

Из формулы (9), полагая намагниченность сердечника однородной, получим

                                        ,                                              (10)

где I – намагниченность сердечника;

S – площадь поперечного сечения сердечника.

С учетом формулы (8)

                                                                              (11)

Таким образом, формула (11) позволяет по углу отклонения стрелки компаса определить намагниченность сердечника I в зависимости от величины намагничивающего поля, в которое помещен сердечник, т.е. поля соленоида H.

Напряженность магнитного поля соленоида определяется по формуле

                                             H=Jn                                                              (12)

где J – сила тока в цепи соленоида;

n – число витков соленоида на единицу длины.

Определив экспериментально указанным выше образом зависимость I(H) можно пользуясь формулами

                                            B =μ₀(H+I)                                                     (13)

                                                                                                       (14)

выявить зависимость магнитной индукции и магнитной проницаемости μ от напряженности намагничивающего поля H.