Новости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА

Работа добавлена:






ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА на http://mirrorref.ru

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№   4 -1

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА

Цель работы: изучение элементов земного магнетизма, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1. Магнитные полюса Земли располагаются вблизи (~300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется Южным магнитным полюсом (S), другой, расположенный на юге, - Северным магнитным полюсом (N).

Через магнитные полюса проходятмагнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию большого круга -экватор, параллельно которому будут располагатьсямагнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но имагнитные координаты.

Рис.1. Магнитное поле вблизи поверхности Земли

В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление, в точках Земли, лежащих на магнитном экваторе, - горизонтальное (например, точкаВ).

В любой другой точке Земли (например, точкаА) напряженность магнитного поля  можно разложить  на вертикальную  и  горизон-

тальную   составляющие. .

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитометра или магнитной стрелки. Если в данной точке Земли магнитную стрелку свободно подвесить на нити за центр масс так, чтобы она могла свободно поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли в данной точке (вдоль вектора ) (рис.2).

Рис.2. Положение магнитной стрелки в магнитном поле Земли

В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некоторый угол. Угол между направлением напряженности магнитного полямагнитным наклонением. На магнитном экваторе наклонениемеридиана (рис. 2). Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямойNS(рис. 1).

Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности.  Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некоторый угол

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

(т. е. между их плоскостями) называетсямагнитным склонением.

Рис.3

Магнитное склонение

Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей напряженности магнитного поляназываются элементами земного магнетизма. Значения,отклонения - так называемыемагнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.

Однако происхождение магнитного поля Земли окончательно не выяснено.

ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТР

Определение одного из элементов земного магнетизма - горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в данной работе осуществляется с помощью тангенс-гальванометра.

Расстояние между катушками выбирается равнымрадиусуRкаждой катушки. В центре каркаса на одинаковом расстоянии от обеих катушек (т. е. на расстоянииR/2) закреплена буссоль - алюминиевое кольцо (лимб), разделенное на 3600, в центре которого находится магнитная стрелка, насаженная на вертикальную ось. Если магнитная стрелка может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться только под действием горизонтальной составляющей  магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана.

деления лимба 2700. При 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).

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

Если по катушкам Гельмгольца пропустить токIмагнитное поле  и , создаваемое каждой катушкой в отдельности. Так как токи в катушках текут в одном направлении, то ихНJ= Н1 + Н2магнитных полей: магнитного поля Землии магнитного поля тока в катушках (рис. 4).

векторах  и .

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШЕК ГЕЛЬМГОЛЬЦА

Рассчитаем напряженностьНJв точкеА, где находится магнитная стрелка,  и следовательно, находящейся на расстоянииR/2 от каждой катушки (рис. 5).

Рис. 5. Магнитное поле катушек Гельмгольца

считать, что магнитная стрелка находится в однородном магнитном поле.

Вследствие тождественности обеих катушек и одинаковости величины и направления токов в них можно записатьН1 = Н2катушке содержится небольшое и одинаковое число витковNН1 = Н2 = NНв, гдеНводним витком с током. Результирующая напряженность равна

НJ = Н1 + Н2= 2NНв.(1)

На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого на оси кругового витка с токомI в некоторой точке, находящейся на высотеh над плоскостью витка радиусомR, определяется по формуле

                              .                                                (2)

В нашем случаеh =R/2, поэтому:

                                   .                            (3)

Подставив (3) в формулу (1), получим

.(4)

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

С другой стороны, из рис. 4 следует, что

НJ = Н0tg.                                               (5)

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

.                                                    (6)

Для данного места Земли и для данного прибора величина

                                                                     (7)

является постоянной и называется постоянной тангенс-гальванометра.

Постоянная тангенс-гальванометра С численно равна токуI, который протекает по виткам катушек, когда угол отклонения магнитной стрелки равен 450(tg450= 1).

Как следует из выражения (7), система двух катушек Гельмгольца с магнитной стрелкой в центре может быть использована для измерения силы тока, текущего по цепи. Отсюда - название прибора, основанного на вышеописанном принципе, - тангенс-гальванометр.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

рис. 6.

Рис.6. Схема лабораторной установки

0 = 2700).

3. Включите электрическую цепь катушек и, меняя величину тока реостатомR, добейтесь поворота стрелки на 450, при этом будет получено конечное значение углак. Показания амперметраIпр запишите в таблицу 1  (в графу – прямой ток).

Таблица 1

№ опыта

опыта

Прямой ток

Обратный ток

Ii=(Iпр+Iобр)/2, (A)

Ii.-Ii(A)

Ii2 (A2)

0

k

=k -0

Iпр

(А)

0

k

=k -0

Iобр(А)

1

270

315

270

225

2

270

315

270

225

3

270

315

270

225

4

270

315

270

225

5

270

315

270

225

4. С помощью переключателяП измените направление подводимого тока и снова добейтесь отклонения стрелки (в обратном направлении) на тот же угол =к-0=450. Запишите значение токаIобр в таблицу 1 (в графу -  обратный ток).

5. Проверьте нулевую установку прибора(0= 2700) и повторите измерения (по пунктам 3 и 4) еще четыре раза для того же угла отклонения = 450. Результаты запишите в таблицу 1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислите среднее значение прямого и обратного тока для каждого опыта и результаты занесите в таблицу 1

                                         .                                               (8)

2. Вычислите среднее арифметическое значение силы тока

                                                       .                                                     (9)

3. Рассчитайте горизонтальную составляющую магнитного поля ЗемлиН0 по  формуле (6), пользуясь  средним значением силы токаĪ.

4. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения силы тока

,                           (10)

гдеtαn– коэффициент Стьюдента (для доверительной вероятностиα = 0,95 и числа измеренийn = 5 значениеtαn =2,8);

δγ – класс точности амперметра,Iпред – предел измерения амперметра).

5. Рассчитайте абсолютную погрешность измерения  угла отклонения магнитной стрелки в радианах

,  рад.

6. Определите относительную погрешность дляН0

,                    (11)

N= 0, т.к.N – дискретная величина).

Погрешность радиуса катушки примите равной ΔR = 1мм.

Из формулы (11) следует, что слагаемое , а значит, и вся погрешность будет иметь минимальное значение тогда, когда= 45. Таким образом, становится ясным, почему в опыте выбирают такую силу тока в цепи, чтобы отклонение магнитной стрелки было равно 45.

8.Рассчитайте абсолютную погрешность дляН0

                                                        (12)

9. Запишите окончательный результат измеренияН0

,

          10. Сделайте вывод по работе.

                              Содержание отчета

Отчет должен содержать следующее:

1.  Принципиальную схему лабораторной установки с пояснениями и характеристиками приборов.

2. Расчетные формулы, использованные в работе, и пояснения к ним.

3. Таблицу с экспериментальными и вычисленными данными.

4. Расчет горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

5. Расчет погрешности измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

6. Запись окончательного результата.

7. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение элементам земного магнетизма.

2. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле Земли и поле тангенс-гальванометра?

3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

4. Как определяется направление магнитной индукции  и напряженности магнитного поля ?

5. Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.

6. Поясните, почему следует ориентировать плоскости катушек тангенс-гальванометра вдоль направления магнитного меридиана?

7. Поясните, почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения = 450.

8. Выведите формулу для напряженности магнитного поля витка с током на его оси в точке, находящейся на высотеh от плоскости витка.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

2. Реферат Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

3. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

4. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля земли

5. Реферат Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли

6. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли

7. Реферат Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

8. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

9. Реферат ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

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