Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

 

Цель работы: определение горизонтальной составляющей магнитного

поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, источник питания,

амперметр, реостат, двухполюсный переключатель.

 

Краткая теория

 

Магнитное поле возникает только вокруг движущихся электрических зарядов, например, вокруг проводника с током. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции .

Для определения вектора магнитной индукции можно воспользоваться законом Ампера: на отрезок проводника с током силы I и длиной ℓ , в однородном магнитном поле с индукцией действует сила F, модуль которой равен

 

(1)

 

где α - угол между вектором и проводником с током.

Направление силы определяется по правилу левой руки (рис.1).

Таким образом, вектор магнитной индукции является силовой характеристикой магнитного поля и численно равен силе, действующей со стороны поля на единицу длины проводника, по которому течет электрический ток единичной силы и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля.

Отсюда следует и физический смысл единицы измерения в СИ магнитной индукции - тесла (Тл).

Тесла - это индукция магнитного поля, которое действует на проводник с током 1 А и длиной 1 м, расположенный перпендикулярно полю, с силой 1 Н.

За направление вектора принимается направление, в котором устанавливается северный полюс магнитной стрелки.

Для наглядности магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий.

Магнитной силовой линией называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с направлением вектора .

При изучении магнитных полей оказывается удобным ввести в рассмотрение, кроме индукции, еще одну расчетную векторную величину, получившую название напряженности магнитного поля , связанную вектором соотношением:

 

(2)

 

где μ ₀ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная прони­цаемость.

Вектор - это вспомогательный вектор, не имеющий сколько-нибудь глубокого физического смысла. Однако во многих случаях он значительно упрощает изучение магнитного поля в магнетиках и обобщает некоторые важные закономерности на случай неоднородного поля.

Закон, с помощью которого описывается магнитное поле постоянного тока, носит название закона Био - Савара – Лапласа.

Этот закон читается так: индукция магнитного поля, создаваемая элементом тока на расстоянии от него, обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна величине элемента тока и синусу угла α между векторами и (рис. 2), т. е.

 

(3)

 

Аналогичное выражение для напряженности можно записать, воспользовавшись уравнениями (2) и (3):

 

(4)

 

Заметим, что индукция зависит от магнитных свойств среды (зависит от m), в то время как от μ не зависит.

Закон Био-Савара-Лапласа является одним из основных в электромагнетизме и широко применяется для расчета магнитных полей.

В качестве примера вычислим напряженность магнитного поля в центре кругового тока. В этом случае α = 90°, а I и r = R имеют постоянные значения для участка dℓ . Поэтому в соответствии с формулой (4), напряженность магнитного поля в центре кругового тока равна:

 

(5)

 

Магнитное поле Земли

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитного поля. Другими словами, в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис. 4.

Земля - огромный магнит, полюса которого лежат вблизи гео­графических полюсов: вблизи южного полюса расположен северный магнитный N, а вблизи северного географического С - южный магнитный S. На рис. 4 для удобства южный географический полюс Ю изображен сверху.

Происхождение магнитного поля Земли до настоящего времени еще не выяснено. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, и отчасти намагниченностью горных пород, а так же и токами в радиационных поясах.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана.

Поскольку магнитные полюсы не совпадают с географическими, то стрелка будет отклонена от географического меридиана. Угол, который образуется между географическим и магнитным меридианами, называется магнитным склонением θ.

Направление силовых линий также устанавливается с помощью магнитной стрелки. Если подвесить стрелку на нити, то она устанавливается по направлению касательной к силовой линии. В северных широтах (географическая широта г. Владикавказа около 43°) ось стрелки наклонена к горизонту и составляет с ним угол, называемый углом наклонения α. Из чертежа видно, что на экваторе стрелка располагается горизонтально, у магнитных полюсов - вертикально, в остальных точках - под некоторым углом к горизонту.

Величина проекции напряженности магнитного поля Земли на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Н_з (рис. 4, точка К).

Экспериментальная установка

Для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли в нашей работе используется тангенс-гальванометр.

Он представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R. с некоторым числом витков n. Величина радиуса R и число витков n катушки указаны на тангенс-гальванометре.

В центре катушки в горизонтальной плоскости расположен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке будет расположена по магнитному меридиану Земли.

Поворотом катушки около вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана. Если после такой установки катушки по ней пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некоторый угол j. Объясняется это тем, что на магнитную

стрелку будут действовать два поля: вектор горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли и вектор напряженности магнитного поля катушки, созданного током (рис. 5).

Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая двух полей будет совпадать с линией, соединяющей полюса стрелки.

Таким образом, вектор совпадает с плоскостью катушки, а вектор направлен перпендикулярно к плоскости витков. Из рис. 5 видно, что

 

 

и, следовательно,

 

 

(6)

 

определяется по закону Био-Савара-Лапласа (5). С учетом числа витков катушки n

(7)

 

Подставляя (7) в формулу (6), получим:

 

(8)

 

Этой формулой пользуются для опытного определения Н_з. В СИ напряженность магнитного поля измеряется в А/м.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ПОСМОТРИТЕ НА ЭТИ ПОЛЯ ЗЕРНОВЫХ
2. II – Предопределение, избрание и свобода воли
3. IХ.Определение рыночной стоимости затратным подходом
4. А.1 Определение условий выполнения проекта
5. Адсорбция радионуклидов на полярных кристаллах.
6. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОРАЩИВАНИЯ СЕМЯН. Заполнение документов на анализ семян. определение жизнеспособности семян хвойных пород методом йодистого окрашивания
7. Анализ электрокардиограммы: определение интервалов, зубцов, положения электрической оси сердца в грудной клетке.
8. Атрофия: 1) определение и классификация 2) причины физиологической и патологической атрофии 3) морфология общей атрофии 4) виды и морфология местной атрофии 5) значение и исходы атрофии.
9. Библейское определение покаяния
10. Билет 10. Дать определение минерала. Расскажите о происхождении минералов.
11. Билет 46. Палеозойский этап развития Земли.
12. Билет47. Мезозойский этап развития Земли.