N09 Определяне на хоризонталната компонента на земното магнитно поле
Лаборатория №9
ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ХОРИЗОНТАЛНИЯ КОМПОНЕНТ
ЗЕМНА МАГНИТНА СИЛА
ИЗПОЛЗВАНЕТО НА ДОПИРАТЕЛНИЯ КОМПАСОЛ
Целта на работата: запознаване с принципа на работа на тангенторния компас, измерване на хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята на географската ширина на Красноярск.
Оборудване: тангенс компас, милиамперметър, регулируем резистор, DC захранване, ключ.
Кратка теоретична информация
Земята е естествен магнит, чиито полюси са разположени близо (
300 км) от нейните географски полюси. Магнитният полюс на Земята, който се намира на север, се наричаюжен магнитен полюс, разположен на юг,северенмагнитенполюс. В момента често се използват обозначенията:Южен геомагнитен полюс(този, който се намира на юг, в Антарктида, т.е. северен магнитен) исеверен геомагнитен полюс(на север близо до Канада, т.е. южен магнитен).
През полюсите на Земята е възможно да се начертаят линии на големи кръгове -магнитни меридиани, перпендикулярно на тях - линия на голям кръг -магнитен екватори успоредно на последната линия на малки кръгове -магнитни паралели.
Ако магнитна стрелка е свободно окачена в дадена точка на Земята (т.е. окачена от центъра на масата, така че да може да се върти както в хоризонталната, така и във вертикалната равнина), тогава тя ще бъде настроена в посоката на вектора на силата на магнитното поле на ЗемятаHЗ в тази точка.
Тъй като магнитното поле на ЗемятаНЗ е полето на прякотомагнит, ясно е, че силовите линии на това поле са перпендикулярни на повърхността на Земята само при магнитните полюси и успоредни на нея при магнитния екватор. Във всяка друга точка на земната повърхност силата на магнитното поле и, следователно, свободно окачена магнитна стрелка са разположени под някакъв ъгъл спрямо хоризонталната равнина в дадена точка (фиг. 9.1).
Поради несъответствието между магнитните и географските полюси на Земята, равнините на магнитния и географския меридиан, преминаващи през дадена точка от земната повърхност, също не съвпадат. Така положението на свободно окачена магнитна стрелка се характеризира с два ъгълаи, определени за дадена точка на Земята.
HHSСевер
Магнитна деклинация ъгъл между посоките на географския и магнитния меридиан (фиг. 9.2). Има деклинацииизтокизапад(северният полюс на стрелката е наклонен съответно надясно или наляво от географския меридиан).
Магнитен наклон ъгъл между посоката на напрегнатостта на магнитното поле в дадена точка и хоризонталната равнина (фиг. 9.3).
Наклонът еСеверилиЮг(северният или южният край на стрелката под хоризонталната равнина).
Магнитното поле на Земята е подчинено на дневни, годишни, вековни и т.н. флуктуации. Ъглите и също се променят съответно. Освен това се наблюдават краткотрайни неравномерни отклонения - така наречените магнитни бури, чиято поява се свързва с активността на Слънцето, по-специално слънчевите петна.
Така векторът на напрегнатост на магнитното полеНЗв тази точка е наклонен към земната повърхност, т.е. може да се разложи нахоризонталноHG ивертикалниHB компоненти (фиг.9.3). Това означава, че магнитната стрелка, която може да се върти около фиксирана вертикална ос, е монтирана в равнината на магнитния меридиан под въздействието на хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята.
Въртенето на магнитната стрелка става под действието на момента на силитеM=[pmB], къдетоpm е магнитният момент на стрелката,Bе векторът на индукция на магнитното поле. От тази формула следва, че въртящият момент на силитеMстава равен на нула, когато стрелката е разположена по линията на магнитното поле.
И така, стрелката на компаса под въздействието на хоризонталния компонент на магнитното поле на Земята е поставена в равнината на магнитния меридиан. Ако използвате кръговия ток на рамката близо до стрелката, за да създадете друго магнитно полеHPHГ, тогава стрелката ще бъде настроена в посоката на резултантната на двете магнитни полетаH.
Тъй като полето на кръговия ток може да се изчисли, като се знае силата на тока, хоризонталната компонента на земното магнитно поле може да се определи от ъгъла на отклонение на стрелкатаи големината на токаI.
Описание на експерименталната настройка
Определянето на хоризонталния компонент на напрегнатостта на магнитното поле на Земята се извършва с помощта на устройство, нареченотангент-компас. В центъра на кръгъл проводник, разположен във вертикална равнина, на върха е поставена малка магнитна стрелка (компас). Самият компас е разположен в хоризонталната равнина, а оста на стрелката е в равнината на кръглата рамка с ток.
Когато токътIпреминава през кръглата рамка на компаса, съдържаща n оборота, силата на магнитното поле HP в неговия център може да се изчисли с помощта на закона на Био-Савар-Лаплас:
, (9.1)
където n е броят на завъртанията на компаса, I е силата на тока, R радиус на бобината на компаса.
Ако контурът на компаса е монтиран в равнината на магнитния меридиан на Земята, тогава хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята HГ и полето HP на кръговия ток в центъра на компаса ще бъдат перпендикулярни един на друг (фиг. 9.4). Тогава
. (9.2)
От тук получаваме работна формула за изчисляване на хоризонталния компонент на NG:
. (9.3)
Нека докажем, че при = 45 o грешката при определяне на NG ще бъде минимална. Ако вземем логаритъм (9.3) и след това диференцираме резултата, получаваме израз за относителната грешка :
. (9,4)
От тази формула следва, че грешката ще бъде минимална при ъгъл = 45 o .
Работна поръчка
1. Поставете тангентата на компаса в равнината на магнитния меридиан на Земята, т.е. така че иглата на компаса да е в равнината на рамката.
Токоизправител mA рамка
и т.н
2. Включете токоизправителя (фиг. 9.5) и, като промените силата на тока в рамката с резистор R0, задайте ъгъла на въртене на циферблата (стрелката) на компаса = 45 °. С помощта на милиамперметър mA) измерете стойността на тока I1, съответстваща на този ъгъл, и я въведете в таблицата. 9.1.