Новости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Работа добавлена:






ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ на http://mirrorref.ru

ФГБ ОУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Физика»

Н.А. Государева, А.П. Прунцев

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине «Физика»

Работа 20

МОСКВА2013

Работа 20

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ

ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: Изучение магнитного поля кругового тока. Ознакомление с основами учения о земном магнетизме.

Приборы и принадлежности:Источник постоянного тока, реостат, амперметр, переключатель, тангенс-гальванометр.

Элементы теории земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный магнит. В пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1.

Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный – у северного географического. Магнитное поле Земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле земли направлено под некоторым углом.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелкуNS на нитиL (рис. 2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

В северном полушарии южный конец стрелки будет направлен к Земле, и ось стрелки составит с горизонтом угол наклона (на магнитном экваторе наклонение, равно 0). Вертикальная плоскость, в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямойNS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли находятся в магнитных полюсахN иS. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через ось магнитной стрелки (магнитный меридиан), с географическим меридианом, называется магнитным склонением (рис. 2). Вектор полной напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную.Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей  вектора даст возможность определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться  лишь вокруг  вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонениеи наклонение называется элементами земного магнетизма.

Различаютвосточное изападное склонение (северный полюс стрелки отклоняется вправо или влево от географического меридиана).

Наклонение бываетсеверное июжное (северный или южный конец стрелки располагается выше или ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла являются магнитными координатами данной точки. Например, для Москвы 8° (восточное склонение),70° (северное наклонение).

Элементы земного магнетизма плавно изменяются при переходе от одной точки к другой. Если же наблюдаются нарушения в этом плавном изменении, то говорят, что в данной местности наблюдается магнитная аномалия. Аномалии связаны с большими залежами магнитных руд, например, Курская магнитная аномалия.

Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика, однако, наличие земного магнетизма проявляется существенным образом в целом ряде географических и других явлений. К таким явлениям относятся полярные сияния и захват заряженных частиц из космического пространства в своеобразные ловушки, которые называются радиационными поясами Земли.

Некоторые биофизические эксперименты позволят предполагать, что пространственная ориентация птиц при дальних сезонных перелетах связана с их способностью ощущать направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле кругового тока

Движение электрического заряда означает перемещение присущего заряду электрического силового поля. Кинетика потенциального электрического поля проявляется в форме возникающего вихревого магнитного поля охватывающего ток. Для обнаружения магнитного поля в качестве индикатора может служить ферромагнитный стержень, обладающий свободой вращения (например, магнитная стрелка).

Подобно электрическому полю, магнитное также характеризуют напряженностью,однако определение этого понятия связано уже не с зарядом, как это было в случае потенциального электрического поля, а с током, т.е. движением электричества.

Направленное поступательное перемещение зарядов и вихревое магнитное поле, отображающие движение электрического поля этих зарядов, представляет собой две стороны единого электромагнитного процесса, называемое электрическим током.

Экспериментальное исследование магнитного поля токов провели в 1820 г. французские физики Ж. Био и Ф. Савар, а П. Лаплас теоретически обобщил результаты этих измерений, получив в итоге формулу (для магнитного поля в вакууме):

,               (1)

где 1/4 – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения;I– сила тока;– вектор, совпадающий с элементарным участком тока (рис. 3); – вектор, проведенный от элемента тока в ту точку, в которой определяется

Как видно из выражения (1), векторнаправлен перпендикулярно плоскости, проходящей черези точку, в которой вычисляется поле, причем так, что вращение вокругв направлениисвязано с  правилом правого винта (см. рис. 3). Для модуляdH можно написать следующее выражение:

,                                         (2)

где – угол между векторами и .

Рассмотрим поле, создаваемое током, текущим по тонкому проводу, имеющим форму окружности радиусомR (круговой ток). Определим напряженность магнитного поля в центра кругового тока (рис. 4). Каждый элемент тока создает в центре напряженность, направленную вдоль положительной нормали к контуру. Поэтому векторное сложениесводится к сложению их модулей.

По формуле рассчитаемdHдля случая/2:

.                                             (3)

Проинтегрируем это выражение по всему контуру, учитывая, чтоrR:

H.                     (4)

Если контур состоит изnвитков, то напряженность магнитного поля в центре его будет равна

H .                                                 (5)

Описание аппаратуры и метода измерений

Целью данной работы является определение величиныH0.Для измеренияH0применяется прибор, называемый тангенс- гальванометром, который состоит из кольцеобразного проводника или очень плоской катушки большого радиуса. Плоскость катушки расположена вертикально, и вращением около вертикальной оси ей можно придать любое положение.

В центре катушки укреплен компас с очень короткой магнитной стрелкой. Рис. 5 дает сечение прибора горизонтальной плоскостью проходящей через центр витка, гдеNS – направление магнитного меридиана,AD – сечение катушки горизонтальной плоскостью,ab – магнитная стрелка компаса.

При отсутствии тока в катушке на стрелкуabдействует только магнитное поле Земли и стрелка устанавливается по направлению магнитного меридианаNS.

Если по катушке пропускать ток, то стрелка отклоняется на угол. Теперь магнитная стрелкаabнаходится под действием двух полей: магнитного поля Земли () и магнитного поля, созданного током ().

В условиях совмещения витка с плоскостью меридиана векторыи  взаимно перпендикулярны, тогда (см. рис. 5):

;       .  (6)

Так как длина магнитной стрелкиab мала по сравнению с радиусом витка, то в пределах стрелкиHможно считать постоянной (поле однородно) и равным ее значению в центре катушки, определяемого формулой (5).

Решая совместно уравнения (5) и (6), получим:

.                                            (7)

Этой расчетной формулой пользуются для определенияH0 в данной работе.

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

1. Собирают установку по схеме (рис. 6) и, не включая тока, поворачивают подставку тангенс-гальванометра так, чтобы витки его катушки оказались в плоскости магнитного меридиана (см. выше).

2. Включают установку и устанавливают реостатом токI,подбирая определенный угол отклонения стрелки (в пределах от 35° до 55°). Дождавшись, когда стрелка придет в равновесие, отсчитывают угол её отклонения. Данные значенийI изаносят в табл. 1.

Таблица 1

Номер опыта

I,мА

Номер

измерения

i

i

i

1

1

2

3

2

1

2

3

3

1

2

3

3.Не меняя ток по величине, изменяют его направление переключателемП, измеряют и записывают в таблицу значения угла.

4. Проверяют нулевую установку прибора и повторяют измерения при том же токе еще два раза.

Вычисляют среднее арифметическое значение угла  при заданном токеI:

i

5. Аналогично проделывают несколько опытов при различных токах, беря углы отклонения стрелки в тех же пределах (35 55); результаты заносят в табл. 1.

- находится из таблицы доверительной вероятности

6.Для каждого тока по формуле (7) вычисляютH0i и заносят в табл. 2. Для вычисленияH0i используют среднее арифметические значения угла . Затем рассчитывают  по формуле:

.

7.Производят оценку погрешностей измеренийH0i.

Определяют среднюю арифметическую ошибку измеренияH0 по формуле:

,

гдеH0iH0i.

Таблица 2

Номер опыта

I

n

R

Н0i

Н0

Н0

1

2

3

Окончательный результат измерений записывают в виде

Н0 .

Контрольные вопросы

1. Что такое магнитное поле тока? Как проявляется его действие?

2. Какие параметры характеризуют земной магнетизм?

3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определить направление ?

4. Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового витка с током?

5. Объясните устройство и принцип работы тангенс-гальванометра.

6. Почему следует ориентировать катушку тангенс-гальванометра?

Список литературы

  1. Савельев И.В., Курс общей физики: В 3-х т. Т. 2 – М.; Наука, 2003г.
  2. Детлаф А.А., Яворский Б.М., Курс общей физики. – М.; Высшая школа, 2001. – 608 с.
  3. Яновский Б.М., Земной магнетизм. – Л.; 1978г. , 278 с.
  4. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2011г.,37с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ на http://mirrorref.ru


1. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля земли

2. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

3. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли

4. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

5. Реферат Определение горизонтальной и вертикальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

6. Реферат Измерение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли

7. Реферат Определение горизонтальной направляющей напряженности магнитного поля Земли

8. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

9. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

10. Реферат Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли