Определения магнитного поля Земли

Используемая в данной работе уста­новка состоит из двух блоков: основного и вспо­могательного (блок питания). Ос­нов­ной блок (рис.7.3) представляет собой мас­сивную подставку 1, на которой центрично установлено основание 2,имеющее две стойки 3. В стойках закреплена ось кожуха 4, в который заключен основной элемент этого блока - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ)5.Благодаря такой конструкции ЭЛТ может поворачиваться как в вертикальной плоскости (вокруг горизонтальной оси ОО), так и в горизонтальной плоскости. В центре основания 2 установлен обычный компас 6 с вращающимся указателем. Вспомо­га­тель­ный блок обеспечивает питанием ЭЛТ и представляет собой систему выпрямителей и трансформаторов, заключенных в кожух. На ли­це­вой панели помещены элек­тро­измерительные приборы и ручки упра­вле­ния изображением следа элек­тронного луча на экране ЭЛТ - “Яркость”, “Фокус I”, “Фокус II”. Блок питания соединяется с ЭЛТ через бронированный кабель.

ЭЛТ представляет собой сте­клянный баллон (рис. 7.4), из ко­торого откачан воздух. В узкой час­ти трубки имеются электроды – ка­­тод (К) и анод (А). Подо­гре­ваемый катод служит источником электронов (термоэлектронная эмис­сия).

Анод, на который подается большой поло­житель­ный потен­ци­ал U по отношению к катоду, ускоряет электроны. Последние, имея таким образом большую скорость, достигают передней части ЭЛТ - экрана, заставляя его светиться в той точке, куда они попадают. Экран ЭЛТ покрыт масштабной сеткой, что удобно при измерениях коор­ди­нат светящейся точки.

Суть метода измерения ин­дук­ции магнитного поля Земли сводится к следующему: если заряженная частица (электрон) движется в магнитном поле, то на нее действует сила Лоренца, величина и направление которой определяется равенством

,

где е и v - заряд и скорость электрона, а - индукция магнитного поля.

При a = p/2 (рис.7.5) электрон в магнитном поле под действием силы Лоренца движется по окружности, радиус R которой связан синдукцией В и скоростью vвторым законом Ньютона (m- масса электрона):

. (7.2)

Отсюда следует, что

. (7.3)

Таким образом, зная v и R, можно вычислить В. Скорость электрона v можно определить из условия: кинетическая энергия электрона, приобретенная им при разгоне между катодом и анодом, равна работе сил электрического поля между анодом и катодом, т. е.

, откуда . (7.4)

Что касается R, то его можно найти из эксперимента, измерив смещение d электронного пучка на экране ЭЛТ под действием магнитного поля. Действительно, пусть v - та скорость электрона, которую он имел по выходе из анода. Попав в магнитное поле, направленное, например, “от нас” (рис.7.6), электрон начинает двигаться по дуге АС окружности радиуса R и достигает экрана ЭЛТ не в точке Е, а в точке С; т.е. он будет смещен по сравнению с тем, как если бы он двигался прямолинейно, на величину d. На рис.7.6 L - расстояние от анода до экрана.

Из подобия треугольников АСD и DСВследует:

или ,

откуда

. (7.5)

Подставляя (7.4) и (7.5) в (7.3), получим

.

Опыт показывает, что d<<L, поэтому величиной d² в знаменателе можно пренебречь, тогда

. (7.6)

Выражение (7.6) является в данной работе расчетной формулой. Как будет видно в дальнейшем, роль В в приведенных формулах в нашем случае играют поочередно либо В_в - вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли, либо В_г - горизонтальная составляющая этого поля.

Изрис. 7.7 видно, что в первом случае смещение пучка электронов будет по оси x(т.е. d = х), а во втором - вдоль оси у (d = у). Так как магнитное поле Земли “выключить” нельзя, то мы не можем знать нулевого положения электронного пучка на экране. Но в этом и нет необходимости. Действительно, если мы будем знать координаты следов электронного пучка в двух случаях, соответствующих противоположным направлениям движения электронов, то разность между этими коор­ди­натами (т.е. расстояние между следами) и есть 2х и 2у(рис.7.7).

Определив В_в и В_г, легко вы­числить полную индукцию маг­нит­ного поля Земли.

(7.7)

и магнитное наклонение

. (7.8)

Порядок выполнения работы

1.Подготовить установку.

1.1. Путем внешнего осмотра познакомиться с устройством обоих блоков установки. Подсоединить блок питания к ЭЛТ.

1.2. Подать на блок питания сетевое напряжение (через вилку и тумблер “Сеть”). Дать прогреться установке в течение 2 - 3 минут.

1.3. С помощью ручек управления “Фокус II”, “Яркость” добиться лучшей видимости следа электронного луча на ЭЛТ.

1.4. С помощью арретира стрелку компаса освободить.

2. Определить В_в.

2.1. Установить продольную ось ЭЛТ в плоскости магнитного меридиана. Для этого: повернуть основание основного блока так, чтобы имеющаяся на нем метка, совпала с северным полюсом стрелки компаса.

2.2. Поворачивая ЭЛТ вокруг оси ОО, привести ее в горизонтальное положение. Отметить координату х₁ следа электронного луча, который может находиться и вне осиx (одно деление сетки равно 2 мм, но сделать это лучше с помощью полоски миллиметровой бумаги).

2.3. Не сдвигая основания прибора, повернуть ЭЛТ на 180⁰ (опять вокруг оси ОО) и вновь отметить значение координаты х₂ электронного следа.

2.4. Найти расстояние между координатами х₁ и х₂, равное2d.

2d = х₁ + х₂или2d = х₁ - х₂ .

2.5. Пункты 2.2, 2.3, 2.4 повторить еще 2 раза. Найти среднее значение <2d>.

2.6. По формуле (7.6) вычислить среднее значение <B_В> - вертикальной составляющей магнитного поля Земли (Lи U должны быть заданы, m/e взять из справочника).

3. Определить В_г.

3.1. ЭЛТ повернуть (используя метку - линию на основании прибора и шкалу компаса) так, чтобы ее продольная ось была перпендикулярна магнитному меридиану, и установить ее в горизонтальное положение.

3.2. Зафиксировать координату у₁ следа электронного пучка (след не будет находиться на оси y, так как сейчас кроме В_г“работает” и В_в).

3.3. Повернуть ЭЛТ (точнее всю установку вокруг вертикальной оси) на 180⁰ и опять зафиксировать координату у₂следа электронов.

3.4. Пункты 3.1, 3.2, 3.3 повторить еще 2 раза и вычислить среднее значение 2d. Все результаты поместить в табл. 7.1.

Таблица 7.1

№ п/п	х1	х2	2d	у1	у2	2d	Другие данные
							L = 25 см U = 1500 В m/e =
			<2d>			<2d>

3.5. По формуле (7.6) вычислить среднее значение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В_г.

4. По известным В_в и В_г вычислить полную индукцию В_змагнитного поля Земли и магнитное наклонение b. Полученные данные сравнить с табличными, найти расхождение в %. Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Магнитное поле и его характеристики.

2. Магнитное поле Земли.

3. Магнитное наклонение и магнитное склонение.

4. Определение магнитного поля Земли. Устройство ЭЛТ.

5. Теория метода определения В_в, В_г,, В_з.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8