2015-10-22
310
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Утверждено
на заседании кафедры физики
23 сентября 2011 г.
Методические указания
к лабораторной работе №48
«Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли»
Ростов-на-Дону
Методические указания к лабораторной работе № 48.
«Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли» – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2009. – 10 с.
Методические указания содержат краткую теорию метода, порядок выполнения лабораторной работы, требования техники безопасности, требования к оформлению результатов, а также перечень контрольных вопросов и тестов.
Предназначены для выполнения лабораторной работы по программе курса общей физики для студентов всех специальностей РГСУ.
|
|
|
Составители: проф. Н.Н. Харабаев
доц. Е.В. Чебанова
Рецензенты: проф. А.Н. Павлов
доц. Ю.И. Гольцов
Редактор Н.Е. Гладких
Темплан 2011 г., поз. ___
Подписано в печать ____). Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л 0,5. Тираж 100 экз. Заказ
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета.
334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162
© Ростовский государственный
строительный университет, 2011
Лабораторная работа №48
Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли
Цель работы: изучение магнитного поля проводников с током и магнитного поля Земли.
Приборы и принадлежности: компас, катушка провода с круговыми витками, источник постоянного тока, реостат, двойной ключ (переключатель), амперметр, соединительные провода.
Краткая теория
Основной характеристикой магнитного поля является индукция 
. Величина и направление вектора индукции магнитного поля, созданного элементом проводника 
с током 
, определяются с помощью закона Био-Савара-Лапласа:
, где
– индукция магнитного поля в точке, заданной радиус-вектором 
, проведенным от элемента проводника до этой точки;
– векторное произведение векторов и 
;
– магнитная постоянная, 
– магнитная проницаемость среды.
В скалярном виде закон Био-Савара-Лапласа:
, где
– угол между векторами и .
Магнитное поле может быть изображено графически с помощью силовых линий (линий индукции магнитного поля).
Силовая линия – это такая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором индукции магнитного поля. Силовые линии магнитного поля, в отличие от силовых линий электростатического поля, являются замкнутыми.
|
|
|
Если имеется несколько источников магнитного поля, то, согласно принципу
суперпозиции магнитных полей, индукция результирующего магнитного поля равна векторной сумме индукций всех отдельных магнитных полей, т.е.
.
Краткая теория эксперимента
Магнитное поле действует на магнитную стрелку, стремясь ориентировать ее вдоль силовых линий. На этом основана работа компаса, ориентация магнитной стрелки которого позволяет определить направление на северный и южный магнитные полюсы и связанные с ними географические полюсы Земли. Если магнитная стрелка может вращаться только в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси (например, как в обычном компасе), то ориентация магнитной стрелки соответствует направлению горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли. Для определения величины горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли магнитную стрелку компаса помещают в поле еще одного источника магнитного поля – в поле проводника с током. В этом случае магнитная стрелка оказывается в суммарном магнитном поле Земли и проводника с током, и по ее ориентации можно определить соотношение индукций магнитных полей Земли и проводника с током. В качестве проводника в данной лабораторной работе использована катушка с круговыми витками, а магнитная стрелка помещена в центр кругового тока, как показано на рис. 1.
Рис. 1 Рис. 1a Рис. 1б
Первоначально, при отсутствии тока в витках катушки плоскость катушки располагают так, чтобы в этой плоскости оказалась магнитная стрелка и, соответственно, плоскость магнитного меридиана Земли. После включения тока 
в катушке (рис. 1a) магнитная стрелка компаса поворачивается на угол 
, ориентируясь по направлению суммарного (результирующего) магнитного поля 
, состоящего из горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и индукции магнитного поля кругового тока в центре витков катушки 
.
Величина индукции магнитного поля в центре катушки с током :
, где
N – число витков катушки,
– индукция магнитного поля, создаваемого одним витком катушки с током ,
r – радиус витков катушки.
Направление вектора индукции магнитного поля в центре кругового тока совпадает с осью витка и соответствует правилу правого винта (рис. 1а, 1б).
Из рис. 1a видно, что величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли 
можно найти, зная (рассчитав предварительно) 
(индукцию магнитного поля в центре катушки с током ) и измерив угол поворота магнитной стрелки при включении тока :
.
Для повышения точности измерений эксперимент повторяют, пропуская через катушку такой же как 
по величине, но противоположный по направлению ток 
(
). Вновь измеряют угол отклонения магнитной стрелки при включении тока , т.е. угол 
(рис. 1б) и вычисляют угол , как среднее значение двух измерений:
.
По найденному значению угла для величины тока I определяют горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли :
.
Проделав пять таких двойных измерений угла отклонения магнитной стрелки (, ) для пяти различных значений силы тока (
) в витках катушки, необходимо рассчитать пять значений величины (
) и в итоге определить среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли 
:
.
Абсолютная погрешность при определении величины может быть найдена следующим образом: 
.
Тогда окончательный результат: 
,
а относительная погрешность: 
.
