Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляют собой шаровой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный S (~11,5º к оси вращения Земли), а вблизи южного географического-северный магнитный полюс N. Магнитные полюса дрейфуют, предположительно южный магнитный полюс на северо-запад.

Угол между географическим и магнитным меридианом называется магнитным склонением β (рис. 1).

Рис. 3.

Вектор полной напряженности (магнитной индукции B=μ₀H) направлен по касательной к силовым линиям магнитного поля Земли. Магнитная стрелка, подвешенная на нити, устанавливается в направление вектора полной напряженности магнитного поля Земли, который можно разложить на две составляющие: горизонтальную H_г и вертикальную H_в(рис. 4).

α

S

N

в

Рис. 4.

Соотношение между горизонтальной и вертикальной составляющей зависит от географического положения. Чем ближе к северу, тем стрелка устанавливается круче вниз. Поэтому для характеристики магнитного поля Земли вводится угол α – угол наклонения.

Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь около вертикальной оси, будет отклоняться только под действием вектораН_г, устанавливаясь в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в компасах.

Итак, для характеристики магнитного поля Земли используются:

1. Магнитное склонение β

2. Угол наклонения α

3. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H_г:

Н_г=Нcosα или B_г=Bcosα

Методика измерений горизонтальной (H_г)и вертикальной H_в составляющих магнитного поля Земли.

Величины, характеризующие магнитное поле Земли можно измерить двумя методами.

1)Метод тангенс-буссоли позволяет определить горизонтальную составляющую магнитного поля H_г.

Внутри катушки помещается компас. Плоскость катушки устанавливается в плоскости магнитного меридиана, т.е. вдоль магнитной стрелки компаса. Когда через катушку проходит ток в ней создается магнитное поле перпендикулярное плоскости катушки и стрелка компаса устанавливается по направлению результирующего магнитного поля.

На рис.5 изображено сечение катушки.

α

Рис. 5.

Напряженность магнитного поля в центре кругового тока , а в центре круговой катушки с током с учетом числа витков:

Из рис.5 следует, что , тогда:

.

После логарифмического дифференцирования этой формулы, получим формулу для расчета погрешности

(2)

отсюда следует, что погрешность будет минимальной, если sin2α=1 т.е. α=45°. Значит, нужно выбирать такую силу тока в цепи, чтобы отклонение магнитной стрелки было близким к 45° и тогда

Н_г = ,(1)

где N – число витков катушки, N=400 витков; R – средний радиус катушки, R=35 мм.

2)Метод, использующий явление электромагнитной индукции, позволяет определить горизонтальную H_г и вертикальнуюH_в составляющие индукции магнитного поля Земли.

Рис. 1. Внешний вид индуктора 1 – основание, 2 – стойка с кронштейном, 3 – рамка, 4 – катушка, 5 – клемма, 6 – ручка, 7 – гайка, 8 – ножки регулировочные.

Установка состоит из индуктора (рис.1) и измерительного устройства, которое высчитывает среднее значение потока ЭДС индукции возникающее в катушке при её вращение.

Магнитная индукция В_г и В_вопределяется по формуле.

,(3)

где S – площадь катушки.

Если рамка на которой закреплена катушка установлена горизонтально, то (ось вращения катушки горизонтальна) измерительное устройство измеряетпоток <E_iΔt>, создаваемую вертикальной составляющей B_в.

Если рамка установлена вертикально, то измерительное устройство измеряет потока <E_iΔt>, создаваемую горизонтальной составляющей B_г.

Т.к. в отсутствии среды магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением:

,

где - магнитная постоянная =4 10^-7 Гн/м.