Теория работы. Лабораторная работа №12. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

Лабораторная работа №12. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Изучение принципа суперпозиции магнитных полей

Цель работы: изучить основные характеристики постоянного магнитного поля, магнитного поля Земли; научиться определять горизонтальную составляющую магнитного поля Земли с помощью тангенс - гальванометра.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, миллиамперметр, тангенс – гальванометр, двухполюсный ключ, провода.

Магнитное поле – это особый вид материи, с помощью которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами или проводниками с током.

Источниками магнитного поля могут быть: постоянные магниты (Рис.15.1), проводники с током или движущиеся электрические заряды.

N

Графически магнитное поле изображается с помощью силовых линий магнитного поля. За направление силовых линий – линий индукции магнитного поля условились считать направление от северного (N) к южному (S) магнитному полюсу. В отличие от электрического магнитное поле нигде не начинается и нигде не заканчивается, т.е. линии индукции магнитного поля замкнуты, поэтому магнитное поле полностью пронизывает все вещество, например, постоянный магнит (Рис.15.1). Т.к. магнитных зарядов в природе не существует, то деление на северный и южный магнитный полюс чисто условное. Если «разрезать» постоянный магнит по линии, разделяющий S и N на рис.15.1, то каждый «кусок» магнита опять разобьется на северный и южный магнитный полюс.

Если в постоянное магнитное поле внести проводник с постоянным током, то со стороны магнитного поля на него будет действовать сила Ампера – это сила, с которой магнитное поле действует на внесенный в него проводник с током. Ее численное значение рассчитывают по закону Ампера: сила Ампера прямо пропорциональна вектору индукции магнитного поля, силе тока в проводнике, длине проводника и синусу угла между направлением тока и вектора магнитной индукции:

, (15.1)

где I – сила тока в проводнике; - длина проводника; a - угол между направлением поля и тока; - вектор индукции магнитного поля, численно равный силе Ампера, с которой магнитное поле действует на проводник с током единичной длины, по которому течет ток 1 А, если угол между направлением поля и тока равен 90° (т.к. тогда sin90°=1).

Размерность индукции: [ B ] = Н/(А×м)=Тл (Тесла).

Вектор индукции является силовой характеристикой магнитного поля.

Направление вектора индукции магнитного поля совпадает с направлением касательной к силовой линии магнитного поля в каждой ее точке (Рис.15.1).

Направление силы Ампера определяется по правилу «левой руки» (Рис.15.2): если направление силы тока в проводнике совпадает с направлением вытянутых четырех пальцев левой руки, а линии индукции магнитного поля входят в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Магнитное поле называется однородным, если величина индукции магнитного поля в каждой точке пространства постоянна. Графически это означает, что «густота» линий индукции магнитного поля должна быть постоянной. И наоборот, если индукция магнитного поля не постоянна, т.е. «густота» линий индукции не постоянна, то магнитное поле называется неоднородным. Примером неоднородного магнитного поля может быть рис.15.1 – поле постоянного магнита; рис.15.3 – магнитное поле Земли.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Поэтому в любом пункте поверхности Земли и в окружающем пространстве проявляется действие магнитных сил. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли размещается около северных берегов Америки, приблизительно под 74° северной широты и 100° западной долготы, а северный полюс – в Антарктиде, под 60° южной широты и 143° восточной долготы. Схема силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 15.3 (пунктиром показана ось вращения Земли - ОО¢ и направление вращения Земли). Направление магнитных силовых линий Земли определены с помощью магнитной стрелки (стрелки компаса). Если поднести магнитную стрелку на нитке так, чтобы пункт подвеса совпал с центром тяжести стрелки, то последняя устанавливается по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и она будет создавать с горизонтом угол наклона q(греч. «тета») – магнитное наклонение. Вертикальная плоскость, в которой разместится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол a между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением. Значения индукции магнитного поля Земли невелики и меняются от 0,42×10^-4 Тл на экваторе до 0,7×10^-4 Тл около магнитных полюсов.

Вектор индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальую . Закрепленная на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли - . Магнитное наклонение q; магнитное склонение a и горизонтальная составляющая являются основными параметрами магнитного поля Земли.

Горизонтальную составляющую магнитного поля Земли определяют с помощью прибора, который называется тангенс-гальванометр. Схематическое устройство прибора показано на рис.15.4. Он состоит из катушки – нескольких круговых проводников, размещенных вертикально в плоскости магнитного меридиана (диаметр катушки и количество витков указывается на приборе). В центре размещается магнитная стрелка. Она должна быть небольшой, чтобы можно было считать индукцию магнитного поля в пределах стрелки равной индукции в центре кругового витка с током.

Плоскость контура устанавливается перпендикулярно горизонтальной плоскости так, чтобы она совпала с направлением магнитной стрелки N-S. Ток I, который протекает по контуру, создает магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку. Направление вектора индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, определяется правилом «буравчика»: если направление вращения ручки «буравчика» (правого винта) совпадает с направлением тока в рамке, то поступательное движение «буравчика» покажет направление вектора индукции магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля катушки направлен перпендикулярно горизонтальной составляющей поля Земли . В результате, на магнитную стрелку N-S будут действовать сразу два магнитных поля: поле Земли и поле, созданное катушкой с током. Согласно принципа суперпозиции: вектор индукции результирующего магнитного поля есть векторная сумма векторов индукции всех полей. При сложении индукции горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и индукции магнитного поля катушки с током возникает индукция результирующего магнитного поля , действующая на магнитную стрелку. Вектор направлен под углом j к плоскости магнитного меридиана. В результате, на магнитную стрелку действует вращающий момент, который поворачивает – ориентирует магнитную стрелку по направлению вектора результирующего магнитного поля .

Из рис.15.4 видно, что: . (15.2)

Индукция магнитного поля контура в центре кругового витка равна:

, (15.3)

где n – количество витков контура; I – сила тока, который протекает в контуре; R – радиус контура; m₀=4p×10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Из (15.2) и (15.3) находим, что: . (15.4)

Необходимо помнить, что формула (15.4) является приблизительной, т.е. верной только в том случае, если размер магнитной стрелки много меньше радиуса катушки R. Наименьшая погрешность при измерениях получается при углах отклонения стрелки j = 45°.

Дата добавления: 2014-10-31