Теория метода и описание установки. При подготовке к работе следует изучить закономерности образования маг­нитного поля проводниками с током (закон Био – Савара)

При подготовке к работе следует изучить закономерности образования маг­нитного поля проводниками с током (закон Био – Савара), элементы земного маг­нетизма.

Наша планета Земля окружена естественным магнитным полем, существование кото­рого обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и создающих основной компонент поля (~99 %), а также переменных источ­ников (электрических токов) в магнитосфере и ионосфере (~1 %). Напряжённость Н геомагнитного поля убывает от полюсов к экватору от 56 до 33 А/м.

Действие магнитных сил обнаруживается как на поверхности Земли, так и в её недрах и под водой. Все пространство, окружающее земной шар, пронизывается магнитными силовыми линиями, как бы исходящими из магнитного полюса в южном полушарии, огибающими земной шар и входящими в магнитный полюс северного полушария (рис. 7.1).

В магнитных компасах используется свойство свободно подвешенной намаг­ниченной стрелки устанавливаться вдоль магнитных силовых линий Земли. Такая стрелка своим северным концом указывает на север, а южным – на юг.

Магнитные полюса расположены вблизи географических полюсов, (обозначены на рис. 7.1 буквами N иS), но не совпадают с ними. Положение магнитных полюсов не остаётся неизменным, координаты их, хотя и очень медленно, но изменяются. В 1600 г. северный магнитный полюс находился в 1300 км от географического, а в настоящее время – примерно в 2000 км.

Магнитное поле Земли характеризуется вектором магнитной индукции , кото­рый направлен по касательной к силовым линиям земного магнитного поля. В каждой точке Земли вектор индукции составляет с горизонтальной плоскостью некоторый угол j (рис. 7.2), который приблизительно равен географической ши­роте местности. Магнитное поле также можно охарактеризовать вектором напряжённости магнитного поля , который связан с вектором магнитной индукции соотношением .

Направление вектора можно определить, имея магнитную стрелку, свободно вра­щающуюся на горизонтальной оси. (Подумайте, как нужно сориентировать ось, чтобы стрелка показала направление магнитной индукции.) Обычно вектор магнитной индукции раскладывают на две состав­ляющие: горизонтальную В_ги вертикальную В_в (см. рис. 7.2).

Имеющаяся в лаборатории установка позволяет определить только одну составляющую индукции магнитного поля – горизонтальную.

Для её определения в данной работе применяется тангенс-гальванометр (ТГ). Это плоская вертикальная катушка радиусом R c числом витков N. В центре ка­тушки расположен компас, размеры которого должны быть значительно меньше радиуса катушки.

Если ось стрелки компаса вертикальна, то при отсутствии тока в катушке стрелка располагается вдоль горизонтальной составляющей магнитного мери­диана Земли (рис. 7.3). Поворотом прибора вокруг вертикальной оси можно совместить плоскость ка­тушки с плоскостью магнитного меридиана. Если по­сле такой установки катушки пропустить по ней ток, то магнитная стрелка отклонится от направления магнитного меридиана на некоторый угол a.

Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будут действовать два поля: горизонтальная состав­ляющая В_г земного магнитного поля и поле В, создан­ное током. На рис. 7.3 SN – направление магнитного меридиана Земли; АС – сечение витка катушки гори­зонтальной плоскостью; S’N’ – магнитная стрелка; В_г – вектор горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли; В – вектор индукции магнит­ного поля, созданного током в центре катушки. Как следует из рис. 7.3, горизон­тальная составляющая связана с индукцией магнитного поля катушки соотноше­нием

.

(7.1)

Величина индукции в центре кругового тока пропорциональна силе тока I и вычисляется по формуле, полученной из закона Био – Савара – Лапласа интегри­рованием по замкнутой окружности радиуса R:

.

(7.2)

Измеряя угол отклонения a при известном значении силы тока, можно по формулам (7.2) и (7.1) вычислить горизонтальную составляющую В_г магнитного поля в месте проведения измерений. Затем, зная географическую широту j места, где установлен тангенс–гальванометр, можно вычислить вертикальную составляющую В_ви полную индукцию В_З магнитного поля Земли (см. рис. 7.2).