Лабораторный практикум

Лабораторная работа № 13.
Определение горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли

Цель работы: ознакомиться с основными количественными характеристиками магнитного поля Земли; магнитным полем, создаваемым круговыми токами; определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

Литература: §§ 109, 110, 118, 119.

Приборы и материалы: источник образцового напряжения (мера магнитной индукции), катушки Гельмгольца, компас.

Известно, что нагретое до высоких температур ядро Земли содержит жидкие вещества, проводящие электрический ток. Эти вещества находятся в постоянном конвективном тепловом движении, более легкие примеси всплывают под действием Архимедовой силы. Процесс движения проводящей жидкости приводит к самовозбуждению магнитного поля. Такое явление носит название гиромагнитного динамо, оно, по современным понятиям, определяет возникновение магнитного поля Земли.

Поведение магнитной стрелки компаса указывает на то, что Земля похожа на огромный магнит с магнитной осью, слегка повернутой относительно географической оси вращения Земли. Магнитное поле Земли на значительных пространствах однородно, т.е. имеет постоянное направление и напряженность. Свободно подвешенная магнитная стрелка своей осью ориентируется вдоль направления Север-Юг. Исторически стрелку магнитного компаса, указывающую на Север, назвали северной. Следовательно, в Северном полушарии Земли находится южный магнитный полюс. Известно, что магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Через геомагнитные полюса Земли N и S можно провести линии больших кругов - магнитные меридианы. Проведенные перпендикулярно к ним линии кругов называются магнитными параллелями, а одна из них - линия большого круга - магнитным (геомагнитным) экватором. Силовые линии магнитного поля Земли изображены на рис. 1а. Магнитная стрелка установится в направлении касательных к силовым линиям магнитного поля. Таким образом, стрелка находится в плоскости магнитного меридиана, повернутой относительно плоскости географического меридиана на некоторый угол α, называемый углом магнитного склонения (рис. 1а). Касательные к силовым линиям относительно поверхности Земли располагаются на магнитном экваторе - горизонтально, на магнитных полюсах - вертикально, в любой другой точке земной поверхности - под некоторым углом Θ к горизонтальной плоскости в данной точке (рис. 1б). Угол Θ называется углом магнитного наклонения. В северном полушарии южный конец свободно подвешенной магнитной стрелки будет наклонен к Земле под некоторым углом Θ, на магнитном экваторе наклонение равно 0, на магнитных полюсах - π/2.

В любой точке земной поверхности вектор индукции магнитного поля Земли В можно разложить на две составляющие в плоскости магнитного меридиана: вертикальную B_y и горизонтальную B_x (рис. 1б). Величины B_x, α и Θ называются элементами земного магнетизма и являются основными количественными характеристиками магнитного поля Земли.

Данная работа выполняется с использованием установки "Мера магнитной индукции" (ММИ). На выходе прибора имеется высоко-стабилизированное напряжение заданного значения. Это напряжение подается на образцовые катушки Гельмгольца (рис.2). Катушки Гельмгольца представляют собой два коротких соленоида радиуса R, по которым ток течет в одном направлении. Соленоиды расположены на расстоянии R относительно друг друга. При включении обоих катушек в воздушном пространстве между ними образуется почти однородное магнитное поле. Магнитное поле в центральной части катушек направлено по оси и величина индукции В_м определяется выражением:

(1.1)

где μ₀ =4π10^-7Гн/м - магнитная постоянная; n - количество витков в одном соленоиде; I - ток в одном витке, А; R - радиус витка, м. В приборе ММИ параметры катушки подобраны таким образом, что на табло выводится значение индукции поля В_м в микротеслах (мкТл).

Порядок проведения измерений

Установите на площадку в центре катушек магнитный компас и сориентируйте плоскости катушек вдоль магнитного меридиана (т.е. плоскости катушек параллельны магнитной стрелке). При включении магнитного поля в катушках (В_м), а оно направлено перпендикулярно В (индукции магнитного поля Земли), стрелка компаса повернется на угол φ, величина которого определяется соотношением:

(1.2)

где В_м - индукция магнитного поля катушек; В_х - горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли (рис.3). Следовательно,

(1.3)

Вначале установите переключатель прибора на нуль. Включите прибор в сеть и прогрейте 5 мин. Увеличивайте значение индукции В_м на катушках через 5 мкТл до 30 мкТл (правая группа переключателей), при каждом значении В_м записывайте в табл. 1 угол отклонения стрелки φ₊.

Верните переключатели поля в нуль, измените полярность тока в катушках переключателем "полярность" на задней панели прибора. Повторите измерения с другой полярностью, т.е. с другим направлением Вм поля катушек. Результаты занесите в таблицу как φ_-. При вычислении В_х используйте среднее значение двух углов.

Таблица 1

Таблица 2

Относительная погрешность косвенных измерений в этом случае определяется выражением:
где ΔВ_м - определяется классом точности прибора, который равен (0,15); а Δφ - погрешность нониуса компаса, выраженная в радианах.

Контрольные вопросы

1. Каковы углы геомагнитного наклонения на геомагнитном экваторе и геомагнитном полюсе?
2. Сформулируйте и запишите закон Био-Савара-Лапласа.
3. Как определить величину и направление вектора магнитной индукции в центре кругового проводника с током?
4. Что такое катушки Гельмгольца и чем характеризуется их магнитное поле?