Новости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Работа добавлена:






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

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО  ПОЛЯ  ЗЕМЛИ

Методические указания

к  лабораторной работе № 47

по  курсу общей физики

Уфа  2001

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ

СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО  ПОЛЯ  ЗЕМЛИ

Методические указания

к  лабораторной работе № 47

по  курсу общей физики

Уфа  2001

Составитель: С. А. Шатохин

Определение горизонтальной  составляющей магнитного  поля  земли.  Методические  указания к  лабораторной работе № 47 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Cост.: С. А. Шатохин. -Уфа, 2001. -  10c.

Методические  указания  предназначены  для  студентов,  изучающих раздел курса общей физики «Электричество и магнетизм». Приведены основные положения геомагнетизма и методика экспериментального определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс  гальванометра.

Табл. 1 . Ил. 4. Библиогр.: 2   назв.

Рецензенты: В.Р. Строкина

Ф.Ш. Шарифьянов

Содержание

            стр

  • 1 Цель работы
  • 2 Теоретическая часть
  • 2.1 Магнитное поле Земли
  • 2.2 Магнитное поле кругового тока
  • 2.3 Метод определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
  • 3 Описание установки и методики измерений
  • 4. Требования по технике безопасности
  • 5. Порядок выполнения работы
  • 6. Требования к отчету
  • Контрольные вопросы
  • Список литературы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №  47

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

1  Цель  работы

Целью данной работы является изучение магнитного поля кругового тока, определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, расчет постоянной тангенс гальванометра.

2  Теоретическая  часть

2.1  Магнитное поле Земли

Земной магнетизм (геомагнетизм) – это свойство Земли как небесного тела, обусловленное существованием вокруг нее магнитного поля. Магнитное поле Земли проявляется нагляднее всего своим действием на магнитную стрелку: свободно подвешенная магнитная стрелка устанавливается в каждой точке Земли в определенном положении, на чем и основано устройство компаса.

Магнитное поле Земли представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Причем в северном полушарии находится южный магнитный полюс, а в южном полушарии – северный магнитный полюс. Магнитная ось, то есть прямая, проходящая через оба магнитных полюса, наклонена примерно на 11 по отношению к оси вращения Земли и не проходит через центр земного шара. Поскольку магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением.

Силовые линии земного магнитного поля в общем случае не являются параллельными поверхности Земли. Поэтому вектор индукции магнитного поля в каждой точке земной поверхности составляет некоторый угол с плоскостью горизонта. Этот угол называется магнитным наклонением. Магнитное наклонение зависит от широты местности и изменяется от 0 до 90 при переходе из области магнитного экватора к магнитным полюсам Земли. На практике оказывается наиболее удобным измерять горизонтальную составляющую земного магнитного поля. Поэтому чаще всего величину магнитной индукции этого поля в той или иной точке Земли характеризуют величиной ее горизонтальной составляющей .

2.2  Магнитное поле кругового тока

Для измерения горизонтальной составляющей  магнитного поля Земли используется прибор, называемый тангенс гальванометром, основным элементом которого является круговой виток с током, расположенный в вертикальной плоскости. В центральной части кольца в горизонтальной плоскости помещается магнитная стрелка с лимбом (рисунок  2.1).

Рисунок  2.1

Величину и направление вектора индукции  в центре кругового витка с током можно определить, используя закон Био-Савара-Лапласа, математическое уравнение которого имеет вид:

или в скалярной форме:

где  – магнитная постоянная;

I– сила тока в проводнике;

      – вектор, совпадающий с направлением тока и равный по величине длине участка проводника;

       – радиус-вектор, проведенный от элемента тока  в точку, где определяется индукция поля ;

      – угол между векторами  и .

Закон Био-Савара-Лапласа выражает вклад  в магнитное поле от отдельного малого участкаdl проводника с током. Вектор  в точке наблюдения перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора  и , а его направление определяется правилом векторного произведения векторов: если вращать правый винт от первого вектора  ко второму , то движение винта укажет направление векторного произведения[·].

Вектор магнитной индукции в центре витка с током будет определяться, в соответствии с принципом суперпозиции, векторной суммой полей создаваемых каждым элементом тока  (рисунок  2.2):

Поскольку все вектора  от каждого участка направлены одинаково – перпендикулярно плоскости витка (за чертеж), то результирующий вектор будет иметь то же направление. Его величину можно найти, вычислив сумму:

Учитывая, что

окончательно получим

В тангенс гальванометре поле создается катушкой изnвитков, поэтому индукция в центре кольца определяется следующим образом :

2.3  Метод определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

Определение горизонтальной составляющей  магнитного поля Земли с помощью тангенс гальванометра основано на сравнении величины  с индукцией магнитного поля тангенс гальванометра в центре катушк и. Действительно, при отсутствии тока в обмотке тангенс гальванометра магнитная стрелка под действием горизонтальной составляющей  устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если совместить с этой же плоскостью плоскость кольца тангенс гальванометра, то при отсутствии тока по виткам прибора создается магнитное поле, вектор индукции которого  в центре кольца будет перпендикулярен вектору  (рисунок  2.3).

При этом магнитная стрелка тангенс гальванометра повернется на угол и расположится вдоль результирующего вектора

Рисунок 2.3

Из рисунка 2.3 следует, что

Таким образом, зная угол отклонения магнитной стрелки и величину индукции магнитного поля, создаваемого витками тангенс гальванометра, можно вычислить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли:

или, принимая во внимание (2.7)

где

называется постоянной тангенс гальванометра.

3  Описание установки и методики измерений

Экспериментальная установка представлена на рисунке 3.1.

Экспериментальная установка состоит из вертикально расположенного кольца из немагнитного материала, радиусом R=9,5 см, на которое намотано несколько витков проволоки, образующих две катушки .

В ходе проведения измерений необходимо, чтобы плоскость кольца тангенс гальванометра совпадала с плоскостью магнитного меридиана. Для этого его необходимо установить так, чтобы магнитная стрелка была расположена по диаметру кольца. Для уменьшения погрешности измерений, связанных с точностью такой установки тангенс гальванометра, угол отклонения магнитной стрелки следует определять при двух направлениях тока в обмотке прибора. В лабораторной установке измерение направления тока осуществляется ключом  (рис 3.1). Тогда, измеряяa' – угол отклонения в одном направлении и уголa'' – в противоположенном, величина угла отклонения определяют как среднее значениеa' иa''. Число витков в обмотке тангенс гальванометра устанавливается переключателем .

По окончании измерений, величина горизонтальной составляющей магнитного поля Земли рассчитывается по формулам (2.11) и (2.12).

4.  Требования по технике безопасности

4.1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием и оборудованием.

4.2. Проверьте заземление лабораторной установки и изоляцию токонесущих проводов.

4.3. Немедленно сообщите преподавателю или лаборанту о замеченных неисправностях.

4.4. Не загромождайте свое рабочее место оборудованием, не относящейся к выполняемой работе.

4.5. Не оставляйте без присмотра свою лабораторную установку, это может привести к несчастному случаю.

4.6. По окончании работы приведите  в порядок свое рабочее место. Обесточьте все лабораторные приборы.

4.7. Запрещается уходить из лаборатории без разрешения преподавателя.

5.  Порядок выполнения работы

5.1. Установить плоскость витков тангенс гальванометра в плоскости магнитного меридиана параллельно магнитной стрелке.

5.2. После проверки установки преподавателем установить значение силы тока в цепи тангенс гальванометра.

5.3. По указанию преподавателя установить значение силы тока в цепи тангенс гальванометра.

5.4. Измерить углы отклоненияa' иa'' магнитной стрелки при двух направлениях тока в катушке тангенс гальванометра.

5.5. Полученные значения занести в таблицу.

5.6. Повторить пп. 5.3–5.5 для других значений силы тока не менее трех и при разном числе витков.

5.7. Вычислить постоянную тангенс гальванометра и величину горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

5.8. Вычислить абсолютную и относительную погрешности определяемых величин.

Таблица 1

Число витков

Сила тока

Углы отклонения

Постоянная прибора

Горизонтальная составляющая

a'

a''

aср

6.  Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

  1. название и номер лабораторной работы;
  2. основные формулы для выполнения расчетов;
  3. таблицу с результатами измерений и вычислений;
  4. выводы по работе.

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


    1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

    2. Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

    3. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли

    4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

    5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА

    6. Определение горизонтальной направляющей напряженности магнитного поля Земли

    7. Определение горизонтальной составляющей индукции поля Земли магнитометрическим методом на основе принципа суперпозиции полей

    8. Циркуляция вектора магнитной индукции (для магнитного поля в вакууме). Закон полного тока. Расчет магнитного поля соленоида и тороида

    9. Магнитное поле. Магнитная индукция. Закон Био - Савара - Лапласа. Расчет магнитного поля прямолинейного проводника с током. Расчет магнитного поля кругового тока

    10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА