Экспериментальная установка и методика измерений

Точки Земли, в которых напряженность магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс (в южном полушарии) и южный магнитный полюс (в северном полушарии). Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряженность магнитного поля в точках магнитного экватора имеет горизонтальное направление. Напряженность магнитного поля на магнитном экваторе около 0.34 эрстед; у магнитных полюсов около 0.66 эрстед. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряженность резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 эрстед. Принцип работы тангенс-гальванометра заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с магнитным полем Земли.

Экспериментальная установка состоит из прибора, названного тангенс-гальванометром, источника постоянного тока и амперметра. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 11.6.

Тангенс-гальванометр (рис. 11.7, 11.8) состоит из двух параллельных тонких катушек 1, находящихся на расстоянии d друг от друга. На каждой из катушек радиусом R намотано N витков медного провода. Катушки вертикально закреплены на подставке 3. На этой подставке в центре между катушками установлена буссоль 2. Буссоль представляет собой прибор, в котором на острие иглы установлена магнитная стрелка. Под стрелкой находится шкала, по которой производится отсчет угла поворота стрелки.

Магнитное поле одной тонкой катушки не является однородным (см. формулу (11.11)). Однако магнитная стрелка в условиях опыта должна представлять собой точечный магнитный диполь, то есть быть достаточно малой по сравнению с расстоянием, на котором магнитное поле катушки будет существенно изменяться.

Для создания однородного поля в работе используются катушки Гельмгольца – две одинаковые тороидальные катушки, расположенные в параллельных плоскостях так, что центры их находятся на общей оси (4 и 5 на рис.11.7). Наибольший относительный объем однородного поля получается, если расстояние между плоскостями катушек равно их радиусу: d=R. При наложении их магнитных полей неоднородности суммарного поля в пространстве между такими катушками составляют ≈5%.

Суммарное магнитное поле двух катушек в центре между катушками на их оси при d=R получим из (11.11) при :

, (11.12)

где N – число витков каждой катушки. Поле направлено по оси катушек. Прибор устанавливают таким образом, чтобы ось катушки была перпендикулярна линиям индукции горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. В отсутствие тока в катушках магнитная стрелка устанавливается по направлению вектора В_Зем горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (рис.11.9). При включении тока к полю Земли добавляется поле катушки (11.12); в этом случае магнитная стрелка установится вдоль направления вектора индукции результирующего поля , то есть стрелка повернётся на угол α (рис.11.8 и 11.9).

Тогда

. (11.13)

Из (11.12) и (11.13) получим:

. (11.14)

Так как В_Зем., N и R – постоянные величины для данной установки, то

, (11.14)

где

. (11.15)

Смысл проверки закона Био-Савара-Лапласа заключается в получении линейных зависимостей tgα от силы тока I: tgα=f (I), определении константы С и далее по (11.15) – расчету В_Зем.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить установку к работе. Установить катушку тангенс-гальванометра таким образом, чтобы магнитная стрелка была установлена на делениях «90⁰-270⁰», то есть параллельна плоскости катушек.

2. Переключателем 1 подключить число витков катушек, равное 5 (рис.11.10).