Определение горизонтальной составляющей

Напряженности магнитного поля Земли

Цель работы: изучить устройство тангенс-гальванометра, определить горизон-

тальную составляющую магнитного поля Земли с помощью тангенс-

гальванометра.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, ис­точник постоян-

ного тока, переключатель, соединительные провода.

Теория работы

Планета Земля в целом представляет собой магнит, полюса которого отклонены от географических полюсов на угол 11,5⁰, что вдоль поверхности Земли составляет расстояние ~300 км. Магнит­ный полюс Земли, расположенный вблизи географического севера, называется южным (S) магнитным полюсом, а магнитный полюс, расположенный вблизи географического юга - северным (N) магнитным полюсом.

Существование магнитного поля Земли (геомагнитного поля) обязано, скорее всего, гидродинамическим процессам в жидком металлическом ядре Земли, т.е. связано с конвективными движениями электропроводящей жидкости земного ядра. До настоящего времени остаются неизвестными источники энергии, возбуждающие конвективное движение в ядре Земли.

Напряженность Н геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к магнитному экватору от 55,7 до 33,4 А/м за счет сгущения магнитных силовых линий у полюсов и разрежения у экватора.

Магнитное поле Земли имеет дипольный характер, т.е. подобно магнитному полю прямого магнита (рис. 1).

Рис. 1

Силовые линии геомагнитного поля исходят из северного (N) магнитного полюса и входят в южный (S) магнитный полюс. Точки схождения силовых линий геомагнитного поля лежат не на самой поверхности Земли, а под ней. По отношению к поверхности Земли силовые линии вертикальны на магнитных полюсах и горизонтальны на экваторе. В иных точках Земли силовые линии и вектор напряженности магнитного поля Н (касательный к силовой линии в каждой ее точке) наклонены к поверхности под некоторым углом, величина которого изменяется (в зависимости от положения рассматриваемой точки) в пределах от 0 (на экваторе) до 90⁰ (на магнитных полюсах).

Таким образом, в любой точке (например, точке К на рис. 1) силовая линия геомагнитного поля и вектор Н, касательный к ней в этой точке, располагаются под определенным углом к вертикали. Следовательно, его можно представить как сумму горизонтальной Н_t и вертикальной Н_псоставляющих. Магнитная стрелка компаса в любой точке Земли устанавливается в плоскости магнитного меридиана под действием горизонтальной составляющей Н_t напряженности Н геомагнитного поля.

Если с помощью кругового тока около магнитной стрелки создать еще одно магнитное поле Н_I, то стрелка установится по направлению равнодействующей обоих магнитных полей. Так как магнитное поле Н_I кругового тока нетрудно вычислить, зная ток, то горизонтальную составляющую напряженности земного маг­нитного поля можно определить по углу a отклонения стрелки и величине магнитного поля Н_I кругового тока. Именно таким образом в данной лабораторной работе определяется горизонтальная составляющая магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр представляет собой обмотку из нескольких круговых проводников (витков) и помещенной в ее центре на вертикальном острие легкой магнит­ной стрелки. При отсутствии тока в обмотке магнитная стрелка ориентируется вдоль горизонтальной составляющей магнитного поля Н_t Земли. При протекании тока в витках обмотки появляется собственное магнитное поле Н_I тангенс-гальванометра, и магнитная стрелка устанавливается вдоль равнодействующей

Н =Н_t + Н_I, магнитных полей, поворачиваясь на угол a. Установим зависимость между углом a поворота магнитной стрелки и горизонтальной составляющей магнитного поля Н_t Земли.

Элементарная напряженность магнитного поля dН= , cоздаваемая элементом длины dl= проводника с токомI в точке наблюдения c радиусом-вектором r= определяется по закону Био-Савара-Лапласа в дифференциальной форме:

. (1)

Направление вектора определяется векторным произведением по правилу правого винта (буравчика): еслипри переходе от вектора к вектору головка винта (ручка буравчика) вращается по часовой стрелке (или против), то направление движения острия винта определяет направление вектора элементарной напряженности магнитного поля .

При прохождении тока I по каждому витку тангенс-гальванометра модуль напря­женности магнитного поля Н₁ в центре кругового витка с током I может быть определен по закону Био-Савара-Лапласа в интегральной форме:

(2)

где R - радиус витка тан­генс-гальванометра.

Величина напряженности магнитного поля обмотки с N витками тангенс-гальванометра определяется по формуле

(3)

Рис. 2

Если контур тангенс-гальванометра установить строго в плоскости магнит­ного меридиана Земли, то горизонтальная составляющая магнитного поля Земли Нt и поле НI кругового тока в центре контура окажутся взаимно перпендикулярными (рис. 2). Тогда и с учетом (3) получим

(4)