Тангенс-гальванометра»
МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1-М.
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ
ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА».
| Составители: | П.Ю. Третьяков |
| И.Г. Фатеев |
Тюмень 2002г.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ
ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТРА.
| Цель работы: | определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли. |
| Оборудование: | тангенс-гальванометр, миллиамперметр (предел измерения 40 мА), реостат, источник постоянного тока. |
ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА
Земля в первом приближении может быть представлена как огромный шаровой магнит, поэтому в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого приведены на рис.1. Магнитные полюса Земли располагаются вблизи (~300 км) от географических полюсов, но не совпадают с ними. Магнитный полюс Земли, расположенный на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, расположенный на юге, – Северным магнитным полюсом.
Через магнитные полюса проходят магнитные меридианы. Перпендикулярно к ним можно провести линию большого круга – магнитный экватор, параллельно которому будут располагаться линии малых кругов – магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.
В точках Земли, лежащих на магнитных полюсах, напряженность магнитного поля Земли имеет вертикальное направление, а в точках Земли, лежащих на магнитном экваторе, - горизонтальное (например, точка В на рис.1).
В любой другой точке Земли (например, точка А на рис.1) напряженность магнитного поля 
можно разложить на вертикальную 
и горизонтальную 
составляющие
= +
Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если в данной точке Земли магнитную стрелку свободно подвесить на нити за центр масс так, чтобы она могла свободно поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, то стрелка установится по направлению касательной к силовым линиям магнитного поля Земли в данной точке (вдоль вектора . Рис.2).
|
В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле и составит с горизонтом некоторый угол 
. Угол между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной составляющей ее (или горизонтальной плоскостью) называется магнитным наклонением (рис.2 и рис.3). На магнитном экваторе наклонение равно нулю.
|
|
Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Из-за этого несовпадения магнитная стрелка будет отклонена от географического меридиана на некоторый угол 
(рис.4). Угол между направлениями географического и магнитного меридианов (т.е. между их плоскостями) называется магнитным склонением
  |
Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).
|
и наклонения , а также горизонтальной составляющей называются элементамиземного магнетизма. Значения , , позволяют определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Все элементы земного магнетизма изменяются с течением времени, т.е. повержены суточным, годовым, вековым и т.п. колебаниям. Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные отклонения – так называемые магнитные бури, появление которых связано с деятельностью Солнца, в частности, с числом солнечных пятен.
ТАНГЕНС-ГАЛЬВАНОМЕТР
В данной работе для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли используется тангенс-гальванометр.
Тангенс-гальванометр представляет собой большое вертикально поставленное кольцо, на которое намотано несколько десятков витков проволоки. В центре кольца помещается небольшая магнитная стрелка (компас), свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости.
Если кольцо тангенс-гальванометра расположить в плоскости магнитного меридиана, то при отсутствии тока в нем, магнитная стрелка установится в этой же плоскости.
При пропускании тока по виткам кольца вокруг него создается магнитное поле, вектор напряженности которого 
в центре кольца направлен перпендикулярно к плоскости витков и, следовательно, к вектору .
Таким образом, стрелка будет находиться под воздействием двух взаимно-перпендикулярных магнитных полей: магнитного поля Земли и магнитного поля тока в кольце . Магнитная стрелка устанавливается по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали прямоугольника, построенного на векторах и (рис.5).
На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, создаваемого в центре кольца с током I определяется по формуле
(1)
|
С другой стороны, из рис.5 следует, что
(2)
Приравняв правые части соотношений (1) и (2) можно определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли
(3)
Для данного места Земли и для данного прибора величина
(4)
является постоянной и называется постоянной тангенс-гальванометра. Тогда
(5)
Из выражения (4) следует, что постоянная С численно равна такому току, который, протекая по виткам, вызывает отклонение стрелки на угол 45o.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с установкой, схема которой приведена на рис.6.
Рис.6
2. Не включая электрическую цепь, поворотом подставки тангенс-гальванометра установить вертикальную плоскость кольца в плоскости магнитного меридиана (по направлению магнитной стрелки).
3. Включить электрическую цепь и, меняя величину тока реостатом R, добиться поворота стрелки на 45o, при этом получим значение угла 
. Показания амперметра Iпр записать в таблицу 1.
4. С помощью переключателя П изменить направление подводимого тока и снова добиться отклонения стрелки на тот же угол 45o, но в противоположную сторону. Записать значение тока Iобр в таблицу 1 и вычислить среднее значение силы тока
(6)
5. Проверить нулевую установку прибора и повторить измерения (по пунктам 3 и 4) еще 4 раза для того же угла отклонения 45o. Результаты записать в таблицу 1.
Таблица1
| № п/п | Iпр, А | Iобр, А | Iср, А |  , А | Ii ср- , А | (Ii ср- )2, А2 |  |  |  I, А | Н, А/м | Носр, А/м |
6. Вычислить среднее значение силы тока по результатам пяти измерений
7. Используя 
, =45о и значение N и R, приведенные в таблице на установке, вычислить по формулам (3) и (4) постоянную тангенс-гальванометра и горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли.
8. Рассчитать погрешность измерения силы тока, используя следующие формулы
,
где 
– коэффициент Стьюдента; 
; d - погрешность миллиамперметра, определяемая классом точности прибора.
9. Рассчитать относительную погрешность горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли по формуле
,
учитывая, что 
приведено в таблице на установке, а 
равно половине наименьшего деления шкалы компаса, выраженного в радианах.
10. Рассчитать абсолютную погрешность горизонтальной составляющей напряженности по формуле
.
11. Записать окончательный результат в виде
.
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать следующее:
1. Принципиальную схему установки с необходимыми пояснениями.
2. Результаты измерений в виде таблицы.
3. Расчетные формулы, а также примеры расчетов С и Ho.
4. Расчет абсолютной и относительной погрешностей Ho.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение элементам земного магнетизма.
2. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле Земли и тангенс-гальванометра?
3. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определяется направление векторов 
или 
?
4. Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.
5. Почему измерения выгоднее проводить при угле отклонения =45o?
ЛИТЕРАТУРА
1. Методические указания к лабораторным работам по физике. Магнетизм. (Новиков В.Ф. и др.), ТИИ им. Ленинского комсомола. Тюмень, 1984.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М.: Наука, 1982. § 40, 42, 47.
3. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1985. § 110,111, 113. 