ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И

ПОСТОЯННОГО МАГНИТА»

Цель работы: Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля, создаваемого Землей и постоянным магнитом.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, мультиметр, компас, катушки, соединительные провода, постоянный магнит.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Изучение магнитного поля Земли имеет важное значение в радиосвязи, в навигации, при разведке магнитных руд.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Магнитные полюса Земли, являющиеся точками, где индукция магнитного поля B=0, не совпадает с ее географическими полюсами. Линии магнитного поля выходят приблизительно из Центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие. Магнитное поле Земли испытывает медленные вековые изменения (вариации). В разные геологические эпохи геомагнитное поле имело разную полярность и величину. В настоящее время поле уменьшается примерно на 1% за каждые 10 лет.

В действительности магнитное поле Земли имеет более сложную структуру, чем поле однородно намагниченного шара, так как добавляются поля неоднородных материковых плит, магнитных аномалий верхней части земной коры. В районе Курской магнитной аномалии (КМА), где сильно магнитные железистые кварциты являются причиной возникновения аномальных магнитных полей, индукция магнитного поля В достигает 200 мкТл. На КМА большинство аномалий представлены в виде узких длинных полос.

Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли (рис. 1).

Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от географического меридиана. Вектор В индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную В_г и вертикальную В_в.

В северном полушарии Южный конец стрелки будет наклонен к Земле и
стрелка составит с горизонтом угол наклонения Q. Горизонтальная В_г и вертикальная В_в составляющие, а также угол наклонения Q вектора индукции магнитного поля Земли называются элементами земного магнетизма. Постоянный магнит является изделием определенной формы (в виде подковы, полосы, пластины, кольца и др.) из предварительно намагниченных ферромагнитных или ферромагнитных материалов, способных сохранять большую магнитную индукцию после устранения намагничивающего поля. Постоянные магниты широко применяют

как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике, радиотехнике, автоматике, магнитном обогащении и других областях техники. В данной работе используют постоянный магнит, имеющий форму кольца.

Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название «магнитное поле» связывают с фактом ориентации магнитной стрелки. За направление магнитного поля принимают направление, совпадающие с направлением силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки, помещенный в данную точку. Так как оба полюса магнитной стрелки лежат в бесконечно близких точках поля, то силы, действующие на оба полюса равны друг другу. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, сов падала с направлением поля (рис. 2).

Рис.2

Стрелка магнитного компаса показывает направление горизонтальной
составляющей индукции магнитного поля Вг в месте расположения компаса. Если компас поместить в центр кругового проводника(катушки), сориентировав катушку так, чтобы ее диаметр совпал с направлением стрелки, а ось катушки была перпендикулярна середине стрелки, то при пропускании по катушке тока магнитная стрелка компаса будет отклоняться от направления В_г на некоторый угол a (рис. 3), величина которого зависит от силы тока, протекающего по проводнику. При вышеуказанном расположении катушки на стрелку компаса будет действовать, кроме горизонтальной составляющей Вг, магнитное поле катушки с индукцией В_к, направленное перпендикулярно плоскости катушки, то есть В_г (рис.3). В результате совместного действия магнитных полей стрелка компаса будет сориентирована в направлении результирующего магнитного поля, индукция которого В_р=В_г+В_к.

индукция магнитного поля катушки в ее центре при витках проводника равна

(1)

где R- средний радиус катушки,

I - сила тока через катушку,

m_o - магнитная постоянная

Из рис. 3 видно, что При a =45^о

(2)

Рис.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Включение и установка требуемого режима работы приборов производится под наблюдением обслуживающего персонала лаборатории.

1. У преподавателя, ведущего лабораторный практикум, получить допуск и задание на проведение эксперимента.

2. Установите катушку К₁ на штырь специальной подставки.

3. Установите в катушке К₁ съемный столик. На столик положите компас так, чтобы середина стрелки компаса совпала с центром катушки. ВНИМАНИЕ! Перед выполнением п.4 удалите не менее чем на 1 метр от катушки К₁ постоянный магнит и положите его плашмя. Убедившись, что поле магнита не влияет на стрелку компаса, приступайте к выполнению следующего пункта.

4. Сориентируйте катушку К₁ так, чтобы стрелка компаса оказалась в плоскости катушки, т.е. совпала с ее диаметром.

5. Используя соединительные провода собрать измерительную схему согласно рис. 4.

6. Показать собранную схему преподавателю или лаборанту и после этого включить блок питания Б5 - 49 для прогрева в течение 3^-х минут.

7. Замкнуть ключ К и изменяя силу тока в катушке К₁ реостатом R добиться отклонения стрелки компаса от первоначального на угол a=45^о. Записав по показаниям мультиметра А, что сила тока I = мА соответствует вышеуказанному отклонению стрелки, разомкнуть ключК.

8. Установите на второй штырь катушку К₂ со столиком, сориентировав ее параллельно катушке К₁. На этот столик установите постоянный магнит так, чтобы горизонтальные оси магнита и катушки К₂ были направлены одинаково.

9. Повторить по п.4и 7. Измеренное значение силы тока I₁= мА.

10. Поверните магнит на 90^о.

11. Повторить по п.4 и 7. Измеренное значение силы тока I₂= мА.

12. Выключить блок питания Б5-49.Разобрагь схему.

13. Используя данные п.7 и формулу (2) определить значение В_г горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли: В_гз=

14. Используя данные п.9 и формулу (2) определите значение индукции В₁ магнитного поля на оси кольцевого магнита: В₁=

15. Используя данные п.2 и формулу (2) определить индукцию магнитного поля В₂ магнита в плоскости перпендикулярной его оси: В₂=

16. После изучения основ теории, выполнения лабораторной работы и оформления лабораторного журнала отчитаться перед преподавателем о проделанной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение основным параметрам земного магнетизма.

2. Постоянные магниты, их природа и область применения.

3. Почему перед выполнением п.4 мы удаляли постоянный магнит? Какие еще условия следовало бы выполнить для повышения точности измерений?

4. Предложите, считая известным значение горизонтальной составляющей индукции В_гз магнитного поля Земли, методику измерения силы тока по схеме на рис.4, исключив из нее амперметр.

5. Правомерно ли пренебрегали магнитным полем Земли при определении В₁ и В₂?

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учеб.пособ./Т.И.Трофимова.- М: Академия, 2004.- 560с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: в 5-ти кн.: учеб.пособ. / И.В. Савельев.- М.: Астрель: АСМ, 2005. кн. 2 Электричество и магнетизм,

-336 с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: