Методика и техника эксперимента. В любой точке пространства, окружающего Землю, существует магнитное поле
В любой точке пространства, окружающего Землю, существует магнитное поле, которое называется основным геомагнитным полем. Магнитное поле Земли слагается из двух частей, различных по происхождению. Постоянное (или точнее «устойчивое») поле порядка 39,8 А/м. Оно различно в различных точках земной поверхности и подвержено медленным («вековым») изменениям. Существование его обусловлено магнетизмом самого земного шара. Переменное поле (или магнитные вариации), не превышающее, как правило, по величине 1% постоянного поля, вызывается электрическими токами, текущими в верхних проводящих слоях земной атмосферы (ионосферы) или даже за ее пределами. Таким образом, Земля представляет собой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный полюс S, а вблизи южного географического – северный магнитный полюс N. До настоящего времени нет законченной теории, объясняющей происхождение магнитного полюса Земли и его особенностей. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а также отчасти с намагниченностью горных пород и токами в радиационных поясах, охватывающих Землю. Сложную картину основного геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем однородно намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,50 к оси вращения Земли (рис.5.6). Отклонение действительного распределения геомагнитного поля однородно намагниченного шара называют магнитными аномалиями. Локальные магнитные аномалии могут быть вызваны неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов. В каждой точке пространства геомагнитное поле характеризуется вектором напряженности магнитного поля Н, который может быть представлен в виде двух составляющих – горизонтальной Н0и вертикальной Н1. В данной работе предлагается определить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли Н0.Для измерения используется прибор, называемый тангенс-гальванометром. Он представляет собой кольцо, расположенное в вертикальной плоскости, на которое намотано N витков провода. В центре этого кольца в горизонтальной плоскости установлен компас.
Перед началом измерений витки тангенс-гальванометра располагают в плоскости магнитного меридиана (плоскости, проходящей через данную точку земной поверхности и магнитный полюс Земли), то есть по направлению магнитной стрелки (рис. 5.7). Если подсоединить витки тангенс-гальванометра к источнику постоянного тока, то этот ток создает в центре витков магнитное поле, вектор напряженности которого Н1будет перпендикулярен к плоскости витков и, следовательно, к плоскости магнитного меридиана. Напряженность магнитного поля в центре кругового тока можно определить из формул: В = и В = µµ0Н (µ = 1). Так как поле создается N витками провода, то получаем: Н1 = . (5.9) Согласно принципу суперпозиции напряженность магнитного поля в центре витков является векторной суммой напряженности магнитного поля Земли Н0 и напряженности магнитного поля токов Н1: Н = Н0 + Н1. В результате совместного действия двух магнитных полей, магнитная стрелка устанавливается под некоторым углом α к плоскости магнитного меридиана. Из рисунка видно, что: Н0 = . (5.10) Следовательно, горизонтальная составляющая магнитного поля Земли может быть рассчитана, как: Н0 = . (5.11) В экспериментальной установке, электрическая схема которой изображена на рис.5.8, ток в кольце создается с помощью низковольтного источника постоянного тока Б, его величина регулируется реостатом и измеряется амперметром.
Порядок выполнения работы
1. Включить установку. 2. Поворачивая тангенс-гальванометр, установить плоскость витков тангенс-гальванометра в плоскости магнитного меридиана (стрелка компаса параллельна кольцу). 3. Вращая лимб тангенс-гальванометра, установить конец магнитной стрелки на нулевое деление шкалы (α = 0). 4. Изменяя реостатом силу тока в цепи, установить на амперметре значение силы тока I= 0,4 А. 5. По шкале тангенс-гальванометра определить угол отклонения магнитной стрелки α. Результаты измерений занести в таблицу 5.1. Т а б л и ц а 5.1
6. Определить углы отклонения магнитной стрелки α, соответствующие токам I= 0,5 А и I = 0,6 А. 7. Занести в таблицу измерений данные о параметрах установки. 8. По расчетной формуле (5.11) найти значения Н0. 9. Найти среднее значение горизонтальной составляющей. 10. Рассчитать абсолютную ΔН и относительную ε погрешности измерений по формулам: ΔН0 = Н · ; ε = ·100%, где ΔI = ; Δα = 10 , γ – класс точности амперметра, Iн – номинальное значение тока. Из формулы видно, что абсолютная ошибка будет уменьшаться при увеличении силы тока I и синуса угла 2α. Максимальное значение sin2α равно единице, отсюда следует, что угол α равен 45о, а Δα = 1º = 0,0175 рад. Таким образом, расчет горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и погрешности , следует проводить при углах α ≈ 45о, то есть в области наименьших ошибок. 11. Рассчитать теоретическое значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли по формуле: Н0 = , где рm = 8,17·1021 А/м – магнитный момент Земли; R = 6,37·106 м – радиус Земли; φ = 520 – широта Иркутска. 12. Записать результат в виде: Н0= (Нср ± ΔН0) А/м. Сделать вывод о проделанной работе. Контрольные вопросы 1. Какими физическими величинами характеризуется магнитное поле? В каких единицах они измеряются? 2. Какие существуют гипотезы относительно происхождения магнитного поля Земли? 3. Запишите закон Био-Савара-Лапласа. Примените его к расчету напряженности (или индукции) магнитного поля в центре кругового тока. 4. В чем заключается принцип суперпозиции полей? 5. Опишите принцип работы тангенс-гальванометра и выведите расчетную формулу.
Популярное: Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... Как построить свою речь (словесное оформление):
При подготовке публичного выступления перед оратором возникает вопрос, как лучше словесно оформить свою... Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (665)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |