МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 -1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ При помощи
ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА

Цель работы: исследование частей земного магнетизма, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Главные ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Земля может быть представлена как большой шаровой магнит,
потому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые полосы которого изображены на рис.1. Магнитные полюса Земли размещаются поблизости МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА (~300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, именуется Южным магнитным полюсом (S), другой, расположенный на юге, - Северным магнитным полюсом (N).

Через магнитные полюса проходят магнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию огромного круга - магнитный
экватор, параллельно которому будут МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА размещаться магнитные параллели. Таким макаром, каждой точке на Земле будут соответствовать не только лишь географические, да и магнитные координаты.

магнитный экватор
В
N
S
A

Рис.1. Магнитное поле поблизости поверхности Земли

В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление, в точках Земли, лежащих на МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА магнитном экваторе, - горизонтальное (к примеру, точка В).

В хоть какой другой точке Земли (к примеру, точка А) напряженность магнитного поля можно разложить на вертикальную и горизон-

тальную составляющие. .

Существование магнитного поля в хоть какой точке Земли можно установить при помощи магнитометра либо магнитной стрелки. Если в данной точке Земли магнитную стрелку МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА свободно подвесить на нити за центр тяжести так, чтоб она могла свободно поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовой полосы магнитного поля Земли в данной точке (повдоль вектора ) (рис.2).

L
Сечение горизонт. плоскости
Плоскость магнитного меридиана
θ

Рис.2. Положение магнитной стрелки в МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА магнитном поле Земли

В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некий угол q. Угол меж направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной
составляющей ее (либо горизонтальной плоскостью) именуется
магнитным наклонением q. На магнитном экваторе наклонение q равно нулю. Наклонение бывает северное МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА либо южное (северный либо южный
конец стрелки ниже горизонтальной плоскости). Вертикальная плоскость, в какой расположится стрелка, именуется плоскостью магнитного
меридиана (рис. 2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS (рис. 1).

Потому что магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то не совпадают и плоскости магнитного и географического МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некий угол a

(рис. 3). Угол меж направлениями географического и магнитного меридианов

(т. е. меж их плоскостями) именуется магнитным склонением a.

α
Магнитный меридиан
Север

Рис.3

Магнитное склонение

Различают восточное и западное склонение (северный полюс МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА стрелки отклоняется соответственно на право либо на лево от географического меридиана).

Значения углов склонения a и наклонения q, также горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля именуются элементами земного магнетизма. Значения a, q, позволяют найти величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма меняются МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА со временем, т. е. подвержены дневным, годичным, вековым и другим колебаниям. Не считая того, наблюдаются краткосрочные нерегулярные
отличия - так именуемые магнитные бури, возникновение которых связано с деятельностью Солнца, а именно, с числом солнечных пятен.

В текущее время существует теория земного магнетизма, согласно которой наличие магнитного поля Земли разъясняется электронными
токами, циркулирующими МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА на огромных глубинах в водянистом ядре Земли.
Но происхождение магнитного поля Земли совсем не выяснено.

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТР

Определение 1-го из частей земного магнетизма - горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в данной работе осуществляется при помощи тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр представляет собой две катушки Гельмгольца, намотанные на общем каркасе МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА и расположенные вертикально в плоскости магнитного меридиана. Каркас закреплен на вращающейся подставке.
Расстояние меж катушками выбирается равным радиусу R каждой катушки. В центре каркаса на схожем расстоянии от обеих катушек (т. е. на расстоянии R/2) закреплена буссоль - алюминиевое кольцо (лимб), разделенное на 3600, в центре которого находится магнитная стрелка, насаженная на МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА вертикальную ось. Если магнитная стрелка может свободно крутиться вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться только под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана.

Тангенс-гальванометр сделан таким макаром, что плоскость
витков катушек всегда перпендикулярна плоскости, в какой крутится магнитная стрелка. Поворотом подставки тангенс-гальванометр МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА можно
установить таким макаром, что магнитная стрелка установится против
деления лимба 2700. При всем этом 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. 4).

восток
горизонтальная плоскость
юг
север
виток катушки
запад
I МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА
A
β
β

Рис. 4. Действие на стрелку магнитного поля Земли и магнитного поля тока в катушках

Если по катушкам Гельмгольца пропустить ток I, то появляется
магнитное поле и , создаваемое каждой катушкой в отдельности. Потому что токи в катушках текут в одном направлении, то их результирующая напряженность будет равна (в скалярной форме
НJ = Н1 + Н МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА2) и ориентирована повдоль оси катушек, т. е. перпендикулярно плоскости витков и, как следует, вектору . Таким макаром, стрелка будет находиться под воздействием 2-ух взаимно-перпендикулярных
магнитных полей: магнитного поля Земли и магнитного поля тока в катушках (рис. 4).

Магнитная стрелка установится в направлении равнодействующей напряженности , т. е. диагонали параллелограмма, построенного на
векторах МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА и .

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА

Рассчитаем напряженность НJ в точке А, где находится магнитная стрелка, и как следует, находящейся на расстоянии R/2 от каждой катушки (рис. 5).

A
R
I
I
R
R/2
R

Рис. 5. Магнитное поле катушек Гельмгольца

Для этого должно производиться условие: магнитная стрелка должна быть малых размеров по МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА сопоставлению с радиусами витков, тогда можно
считать, что магнитная стрелка находится в однородном магнитном поле.

Вследствие тождественности обеих катушек и одинаковости величины и направления токов в их можно записать Н1 = Н2. Если в каждой
катушке содержится маленькое и однообразное число витков N и если витки близко размещены МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА друг к другу, то можно принять, что
Н1 = Н2 = NНв, где Нв - напряженность магнитного поля, создаваемого
одним витком с током. Результирующая напряженность равна

НJ = Н1 + Н2 = 2NНв . (1)

На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого на оси радиального витка с током I в некой точке, находящейся на высоте h МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА над плоскостью витка радиусом R, определяется по формуле

. (2)

В нашем случае h = R/2, потому:

. (3)

Подставив (3) в формулу (1), получим

. (4)

Таким макаром, напряженность поля катушек тангенс-гальванометра определяется формулой (4).

С другой стороны, из рис. 4 следует, что

НJ = Н0 × tg b. (5)

Приравняв правые части уравнений (4) и (5), определим горизонтальную составляющую магнитного поля Земли

. (6)

Для данного места Земли и МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА для данного прибора величина

(7)

является неизменной и именуется неизменной тангенс-гальванометра.

Неизменная тангенс-гальванометра С численно равна току I, который протекает по виткам катушек, когда угол отличия магнитной стрелки равен 450 (tg450 = 1).

Как надо из выражения (7), система 2-ух катушек Гельмгольца с магнитной стрелкой в центре может быть применена для измерения силы тока МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА, текущего по цепи. Отсюда - заглавие прибора, основанного на вышеперечисленном принципе, - тангенс-гальванометр.


makarenko-elena-nikolaevna-nauchno-prakticheskij-zhurnal.html
makarevich-andrej-perekrestok.html
makaroni-s-sirom-tehnologiya-referat.html