Вказівки до виконання роботи

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: магнітне поле; індукція магнітного поля; закон Ампера; закон Біо - Савара - Лапласа; принцип суперпозиції магнітних полів; магнітне поле колового провідника зі струмом; напруженість магнітного поля [1, §§109 - 112; 3§§40, 42, 44, 47, 52 ].

Магнітне поле – це складова загального електромагнітного поля, яка утворюється рухомими зарядами (струмами) і діє відповідно на рухомі заряди (струми).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції , який в даній точці поля пропорційний силі, яка діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, вміщеної в цю точку магнітного поля. Сила, що діє з боку магнітного поля на південний полюс стрілки, напрямлена протилежно вектору .

Магнітне поле можна зобразити графічно за допомогою ліній магнітної індукції. Лініями магнітної індукції (магнітними силовими лініями) називають криві, дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямом вектора в цих точках.

Крім магнітної індукції , вводиться ще одна характеристика – напруженість . Напруженість магнітного поля не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле, що його створює струм. У випадку однорідного та ізотропного середовища:

де - відносна магнітна проникність середовища; - магнітна стала.

Застосовування компаса, магнітна стрілка якого завжди встановлюється в кожному місці Землі певним чином, свідчить про те, що Земля є магнітом і що у навколоземному просторі існує магнітне поле. Магнітні полюси Землі не збігаються з її географічними полюсами. Південний магнітний полюс Землі знаходиться у північній півкулі. Його координати: 70⁰50^/ північної широти і 56⁰ західної довготи. Північний магнітний полюс лежить у південній півкулі на 70⁰10^/ південної широти і 150⁰5^/ східної довготи. Магнітні полюси дрейфують з часом. Наприклад, магнітний полюс північної півкулі знаходився у 1600 році на відстані близько 1300 км від географічного полюса, а тепер його відстань – до 2100 км.

Внаслідок розходження магнітних та географічних полюсів, між площиною магнітного меридіана (у цій площині встановлюється стрілка компаса) і площиною географічного меридіана для кожного місця Землі завжди існує певний кут, який називається кутом схилення. Стрілка компаса встановлюється не горизонтально до поверхні Землі, а під деяким кутом, який називається кутом нахилу. Це означає, що лінії магнітного поля не паралельні поверхні Землі, а дещо нахилені. Кут нахилу неоднаковий для різних точок Землі. Силові лінії магнітного поля Землі на екваторі напрямлені горизонтально до її поверхні, біля магнітних полюсів – вертикально, а у всіх інших місцях – під деяким кутом.

Магнітне поле у кожній точці Землі характеризується горизонтальною складовою напруженості магнітного поля (проекцією напруженості магнітного поля на горизонтальну площину), кутами схилення і нахилу.

Напруженість магнітного поля незначна. Вона змінюється від 0,34 Е на екваторі до 0,66 Е біля полюсів. Винятком є окремі магнітні аномалії, де напруженість магнітного поля Землі більша у зв’язку з покладами магнетитових та інших залізних руд. Наприклад, в районі найсильнішої в світі Курської аномалії над потужними пластами залізних руд вертикальна складова напруженості поля в деяких місцях досягає 2 Е, а горизонтальна – 1,1 Е (замість звичайних 0,2 Е для цієї широти).

Для визначення горизонтальної складової магнітної індукції В_Г магнітного поля Землі у даній лабораторній роботі користуються тангенс-гальванометром, схему якого показано на рис.3.4.1.

Тангенс-гальванометр складається з колової рамки, на яку намотано N витків провідника. В центрі рамки на вертикальній осі закріплено магнітну стрілку, яка може вільно обертатись тільки у горизонтальній площині. Тому на цю магнітну стрілку орієнтуюче діє тільки горизонтальна складова магнітного поля Землі.

При пропусканні струму через провідники рамки магнітна стрілка буде перебувати під дією двох магнітних полів - горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі B_Г та магнітного поля струму B_C. Стрілка встановлюється у напрямі рівнодійної індукції B цих магнітних полів (рис.3.4.2):

Якщо вісь магнітної стрілки при відсутності струму у рамці збігається з площиною рамки, то кут між B_Г і B_C буде прямим і величини B_Г і B_C будуть зв’язані між собою співвідношенням (рис. 3.4.2):

, ( 3.4.1)

де j - кут відхилення магнітної стрілки (кут між векторами горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі B_Г та магнітного поля струму B_C).

За законом Біо - Савара -Лапласа індукція магнітного поля в центрі контуру у вигляді кола зі струмом І:

, (3.4.2)

то робоча формула для підрахунку горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі записується так:

, (3.4.3)

де R - радіус рамки; І – сила струму; N – кількість витків рамки; m₀ - магнітна стала; m - відносна магнітна проникність середовища (у даному випадку m =1).

Застосувавши зв’язок між вектором магнітної індукції та напруженістю магнітного поля можна записати для горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі:

; (3.4.4)

або з урахуванням (3.4.2):

. (3.4.5)

Тангенс-гальванометр може бути використаний як гальванометр для вимірювання невеликого струму I, якщо відомі величини B_Г, N та R. З формули (3.4.3) видно, що , тобто . Тому і прилад, який використовується в даній роботі для визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля Землі, називається тангенс-гальванометром.