Коротка теорія і метод вимірювань

Земля являє собою величезний магніт, полюси якого розміщені біля географічних полюсів: південний магнітний полюс S - біля північного географічного, північний магнітний полюс N - біля південного географічного. Силові лінії магнітного поля Землі поблизу екватора спрямовані горизонтально, а біля магнітних полюсів їх напрямок майже вертикальний. В інших точках земної поверхні вони йдуть під деяким кутом до горизонту. Вектор напруженості магнітного поля H в довільній точці спрямований по дотичній до силової лінії. Величину проекції напруженості земного магнітного поля Н_З на горизонтальну площину називають горизонтальною складовою магнітного поля Землі Н_Г.

Ще зовсім недавно вважали, що точне значення величин, які характеризують магнітне поле Землі, необхідне тільки в практиці водіння кораблів. Проте дослідження останніх років довели, що магнітне поле Землі впливає і на живі організми. Тому вміння визначати характеристики магнітного поля Землі стає необхідним і при розв'язанні практичних задач.

В даній роботі проводиться вимірювання тільки горизонтальної складової напруженості поля Землі із застосуванням тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр являє собою плоску вертикальну котушку радіусом r з відомим числом витків n (90-180 витків). В центрі котушки в горизонтальній площині розташований компас. Магнітна стрілка компасу у відсутність струму в котушці встановлюється уздовж магнітного меридіана. Поворотом котушки навколо вертикальної осі можна досягти суміщення площин котушки і магнітного меридіана. Якщо в цьому положенні котушки пропускати через неї постійний струм, то її магнітне поле, яке направлене перпендикулярно до площини котушки, складеться з магнітним полем Землі, і стрілка повернеться на деякий кут α. На магнітну стрілку діють два взаємно перпендикулярних поля, а отже, і дві сили, що відповідні горизонтальній складовій напруженості поля Землі Н_Г та магнітному полю котушки зі струмом Н_T, як це показано на рис. 1. Під дією цих полів магнітна стрілка встановиться за напрямком їх рівнодіючої.

Напрямок вектора напруженості магнітного поля котушки зі струмом визначається за правилом правого буравчика. Із рис. 1 випливає, що

tg(а)=Н_T/Н_Г → Н_Г=Н_T/tg(а) (1)

Величина напруженості магнітного поля в центрі кругового витка з струмом, обчислюється за формулою, яке випливає із закону Біо-Савара-Лапласа:

Н'_T = І / (2r), (2)

де І - сила струму у виткові (А); r - радіус витка (м). Котушка має п витків, тому напруженість її поля в п разів більша

Н_T=пН'_T=І п/(2r) (3)

Підставивши значення Н_T із (3) в (1), одержимо робочу формулу:

Н_Г= І п/(2r tgа) (4)

Напруженість магнітного поля в системі SI вимірюється в амперах на метр (А/м).

Порядок виконання роботи:

1. Зберіть електричне коло за схемою (рис.2). При цьому тангенс-гальванометр встановлюйте якомога далі від інших приладів та феромагнітних матеріалів, щоб уникнути їх впливу на магнітну стрілку.

2. Повертаючи тангенс-гальванометр, встановіть площину котушки в площині магнітного меридіана так, щоб кінець стрілки співпадав з нульовою поділкою шкали компасу.

3. Встановіть повзунок потенціометра в положення, що відповідає мінімальній напрузі, яка знімається з нього. Переміщуючи повзунок потенціометра в бік збільшення напруги, підберіть такий струм у котушці, щоб відхилення магнітної стрілки було не менше 10-20°. Коли стрілка компасу прийде в рівновагу, відрахуйте за шкалою кут відхилення стрілки α₁ і запишіть силу струму I.

4. Зберігаючи силу струму І, змініть перемикачем його напрямок на протилежний і виміряйте величину відхилення стрілки в протилежний бік - кут а₂. За кутами а₁ і а₂ знайдіть середнє значення кута відхилення а.

5. Двічі змініть положення повзунка на потенціометрі в бік збільшення напруги і виміряйте відхилення стрілки при двох збільшених значеннях струму у котушці.

6. Виміряйте міліметровою лінійкою середній радіус витків котушки r.

7. Підставляючи послідовно середні значення а і І в формулу (4), знайдіть три значення Н_Г.

Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці, знайдіть похибки вимірювань.