ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА»

МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1-М.

 

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА».

 

Составители:	П.Ю. Третьяков
	И.Г. Фатеев

 

Тюмень 2002г.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА.

 

Цель работы:	определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.
Оборудование:	тангенс-гальванометр, миллиамперметр (предел измерения 40 мА), реостат, источник постоянного тока.

 

 

ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА

Земля в первом приближении может быть представлена как огромный шаровой магнит, поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого приведены на рис.1. Магнитные полюса Земли располагаются вблизи (~300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется Южным магнитным полюсом, 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 малых 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, а в точках Земли, лежащих на магнитном экваторе, - горизонтальное (например, точка В на рис.1).

В любой другой точке Земли (например, точка А на рис.1) напряженность магнитного поля можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие

= +

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

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 ее (или горизонтальной плоскостью) называется магнитным наклонением (рис.2 и рис.3). На магнитном экваторе наклонение равно нулю.

магнитная силовая

горизонтальная плоскость

Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана (рис.2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по 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 (рис.4). Угол между направлениями географического и магнитного меридианов (т.е. между их плоскостями) называется магнитным склонением

Рис.4

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Магнитный меридиан

Значения углов склонения и наклонения , а также горизонтальной составляющей называются элементамиземного магнетизма. Значения , ,

позволяют определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, т.е. повержены суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения – так называемые магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТР

В данной работе для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли используется тангенс-гальванометр.

Тангенс-гальванометр представляет собой большое вертикально поставленное кольцо, на которое намотано несколько десятков витков проволоки. В центре кольца помещается небольшая магнитная стрелка (компас), свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости.

Если кольцо тангенс-гальванометра расположить в плоскости магнитного меридиана, то при отсутствии тока в нем, магнитная стрелка установится в этой же плоскости.

При пропускании тока по виткам кольца вокруг него создается магнитное поле, вектор напряженности которого в центре кольца направлен перпендикулярно к плоскости витков и, следовательно, к вектору .

Таким образом, стрелка будет находиться под воздействием двух взаимно-перпендикулярных магнитных полей: магнитного поля Земли и магнитного поля тока в кольце . Магнитная стрелка устанавливается по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали прямоугольника, построенного на векторах и (рис.5).

На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого в центре кольца с током I определяется по формуле

(1)

Рис.5

где R – радиус кольца; N – число витков проволоки в кольце.

С другой стороны, из рис.5 следует, что

(2)

Приравняв правые части соотношений (1) и (2) можно определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли

(3)

Для данного места Земли и для данного прибора величина

(4)

является постоянной и называется постоянной тангенс-гальванометра. Тогда

(5)

Из выражения (4) следует, что постоянная С численно равна такому току, который, протекая по виткам, вызывает отклонение стрелки на угол 45^o.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с установкой, схема которой приведена на рис.6.

Рис.6

2. Не включая электрическую цепь, поворотом подставки тангенс-гальванометра установить вертикальную плоскость кольца в плоскости магнитного меридиана (по направлению магнитной стрелки).

3. Включить электрическую цепь и, меняя величину тока реостатом R, добиться поворота стрелки на 45^o, при этом получим значение угла . Показания амперметра I_пр записать в таблицу 1.

4. С помощью переключателя П изменить направление подводимого тока и снова добиться отклонения стрелки на тот же угол 45^o, но в противоположную сторону. Записать значение тока I_обр в таблицу 1 и вычислить среднее значение силы тока

(6)

5. Проверить нулевую установку прибора и повторить измерения (по пунктам 3 и 4) еще 4 раза для того же угла отклонения 45^o. Результаты записать в таблицу 1.

Таблица1

№ п/п	Iпр, А	Iобр, А	Iср, А	, А	Ii ср- , А	(Ii ср- )2, А2			I, А	Н, А/м	Носр, А/м

 

6. Вычислить среднее значение силы тока по результатам пяти измерений

7. Используя , =45^о и значение N и R, приведенные в таблице на установке, вычислить по формулам (3) и (4) постоянную тангенс-гальванометра и горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.

8. Рассчитать погрешность измерения силы тока, используя следующие формулы

,

где – коэффициент Стьюдента; ; d - погрешность миллиамперметра, определяемая классом точности прибора.

9. Рассчитать относительную погрешность горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли по формуле

,

учитывая, что приведено в таблице на установке, а равно половине наименьшего деления шкалы компаса, выраженного в радианах.

10. Рассчитать абсолютную погрешность горизонтальной составляющей напряженности по формуле

.

11. Записать окончательный результат в виде

.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать следующее:

1. Принципиальную схему установки с необходимыми пояснениями.

2. Результаты измерений в виде таблицы.

3. Расчетные формулы, а также примеры расчетов С и H_o.

4. Расчет абсолютной и относительной погрешностей H_o.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение элементам земного магнетизма.

2. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле Земли и тангенс-гальванометра?

3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определяется направление векторов или ?

4. Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.

5. Почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения =45^o?

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания к лабораторным работам по физике. Магнетизм. (Новиков В.Ф. и др.), ТИИ им. Ленинского комсомола. Тюмень, 1984.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М.: Наука, 1982. § 40, 42, 47.

3. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1985. § 110,111, 113.