Описание экспериментальной установки

Введение

Напряженности магнитного поля Земли

Определение горизонтальной составляющей вектора

Лабораторная работа № 11

Цель работы: познакомиться с методом измерения основной характеристики магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: Тангенс-буссоль, миллиамперметр Э513 (25-50-100 мА), реостат, двухполюсный переключатель, выпрямитель УНИП-7А.

Литература: [1], § 4.1, 4.4-4.5; [2], § 29-30; [4], § 86-88, 90; [5], § 40, 42; [6], § 100-104; [7], § 109-110.

Земной шар представляет собой естественный магнит. Согласно современным представлениям магнитное поле Земли слагается из постоянного (устойчивого) поля и переменного поля или магнитных вариаций, не превышающих 1% от постоянного поля.

Достоверной теории постоянного магнитного поля нет. Наиболее вероятной является гипотеза, согласно которой главная часть постоянного магнитного поля Земли обусловлена вихревыми электрическими токами, текущими в верхних слоях жидкого ядра Земли. По теории Я.И.Френкеля эти токи имеют индукционное происхождение.

Магнитные вариации подразделяются на плавные периодические и магнитные возмущения, т.е. неправильные колебания различной формы и амплитуды. Магнитные вариации первого из названных типов вызываются электрическими токами, индуцируемыми в нижней части ионосферы в результате движения электропроводящих масс воздуха в магнитном поле Земли. Эта точка зрения подтверждается измерениями, проведенными с помощью космических аппаратов. Обнаружено, что на высоте 93 – 105 км существует скачок напряженности магнитного поля Земли, свидетельствующий о наличии на этом уровне электрических токов в атмосфере. Магнитные возмущения весьма разнообразны по интенсивности от небольших кратковременных колебаний до магнитных бурь длительностью до нескольких суток. Магнитные бури вызываются потоками заряженных частиц, выбрасываемых активными областями Солнца. Эта точка зрения подтверждается одиннадцатилетней периодичностью магнитных бурь.

Итак, Земля – естественный магнит. Полюса этого магнита не совпадают с географическими полюсами Земли, располагаясь от последних на расстоянии 300 км. Вертикальная плоскость, проходящая через свободно подвешенную магнитную стрелку, называется плоскостью магнитного меридиана, а ее пересечение с поверхностью Земли – магнитным меридианом. Поскольку конец магнитной стрелки, указывающий на север, был назван северным, в северном полушарии Земли находится южный геомагнитный полюс. Свободно подвешенная магнитная стрелка определяет направление вектора напряженности (или вектора индукции) магнитного поля.

Угол наклона свободной магнитной стрелки к горизонтали называется углом магнитного наклонения. Угол между геомагнитным и географическим меридианами, проходящими через данную точку земной поверхности, называется углом магнитного склонения. Проекция вектора напряженности геомагнитного поля на горизонталь, лежащую в плоскости магнитного меридиана, называется горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Горизонтальная составляющая напряженности геомагнитного поля, углы магнитного наклонения и склонения являются основными элементами земного магнетизма.

Определение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли в данной работе производится с помощью прибора, называемого тангенс-буссолью. Буссоль состоит из нескольких вертикально расположенных круговых витков, по которым пропускается электрический ток. В их центре установлена магнитная стрелка, способная вращаться вокруг вертикальной оси, с угломерной шкалой. Стрелка должна иметь малые размеры по сравнению с диаметром витков с тем, чтобы магнитное поле, создаваемое круговыми токами в пределах стрелки, можно было считать однородным.

Известно (см., например, [1-7]), что при прохождении электрического тока I по виткам короткой катушки модуль вектора напряженности магнитного поля в центре витков дается формулой

(1)

Здесь N - число витков в катушке, R – радиус, D – диаметр витков.

Если витки катушки установить в плоскости магнитного меридиана, то на магнитную стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных поля: магнитное поле круговых токов и магнитное поле Земли, напряженностью H. Стрелка установится в направлении вектора напряженности результирующего поля (под небольшим углом – углом наклонения - к горизонтали!). При этом относительно плоскости магнитного меридиана магнитная стрелка будет повернута на угол φ, тангенс которого определяется отношением горизонтальной составляющей напряженности земного магнитного поля H _г и напряженности H ₀ магнитного поля круговых токов:

(2)

Измерив угол φ и силу тока в витках катушки, можно определить H _г:

(3)

Электрическая схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Рис. 1

Источником постоянного тока в ней является выпрямитель УНИП-7А. Сила тока, текущего через витки катушки, регулируется реостатом и измеряется с помощью миллиамперметра. Переключатель П служит для изменения направления тока в витках катушки.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 44; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!