Теоретичні відомості. Визначення постійної тангенс-бусолі і горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі

Лабораторна робота №207

Визначення постійної тангенс-бусолі і горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі

Мета роботи: вивчити принцип роботи тангенс-бусолі; визначити горизонтальну складову магнітного поля Землі.

Прилади та обладнання: тангенс-бусоль, джерело струму, перемикач, міліамперметр, реостат із ковзним контактом, з’єднувальні проводи, лінійка з міліметровими поділками.

Теоретичні відомості

Земля являє собою великий магніт /рис. 207.1./, полюси якого лежать поблизу географічних полюсів. Біля північного географічного полюсу розташований південний магнітний полюс S, а поблизу південного – північний магнітний полюс N.

Рис. 207.1

З останніх гіпотез відомо, що поле Землі пов’язано із струмами, які циркулюють на поверхні ядра Землі, а також із намагніченістю порід поверхні Землі і струмами в радіаційних поясах. Магнітне поле Землі на екваторі має горизонтальний напрям, а на магнітних полюсах – вертикальний. В інших точках земної поверхні магнітне поле Землі напрямлене під кутом до поверхні. Величина проекції напруженості земного магнітного поля Н на горизонтальну площину називається горизонтальною складовою магнітного поля Землі Н₃. Напрям Н₃ приймається за напрям магнітного меридіана, а вертикальна площина, яка проходить через Н₃, називається площиною магнітного меридіана. Кут між напрямом магнітного поля Землі і горизонтальною площиною називається кутом нахилення, а кут між географічним і магнітним меридіанами – кутом схилення.

Магнітна стрілка, яка може обертатися тільки навколо вертикальної осі, встановлюється в площині магнітного меридіана під дією горизонтальної складової магнітного поля Землі Н₃. Ця властивість використовується в тангенс-бусолі, який являє собою вертикально розташовану котушку з магнітною стрілкою в її центрі. Якщо площину котушки установити в площині магнітного меридіану, а потім через котушку пропустити електричний струм, то на магнітну стрілку діятиме результуюче магнітне поле: горизонтальна складова магнітного поля Землі і напруженість магнітного поля котушки , напрямлена перпендикулярно до площини котушки (рис. 207.2).

Рис. 207.2

Тому магнітна стрілка встановиться в напрямі результуючої напруженості . Через те, що ці напруженості взаємно перпендикулярні,

. (207.1)

Напруженість магнітного поля в центрі кругового струму з n витків обчислюється за законом

Біо-Савара-Лапласа:

,

де - індукція магнітного поля елемента провідника із струмом I, Гн/м – магнітна постійна, інші позначення на рисунку:

,

(для не феромагнетиків і ).

Отже, сумарна напруженість магнітного поля від усіх елементів кола із струмом:

.

Для N витків:

, (207.2)

де I – сила струму, що проходить по витках; R – радіус кругового провідника зі струмом.

Через те що горизонтальна складова напруженості магнітного поля Землі в даному місці постійна величина, кут відхилення стрілки залежить від напруженості поля кругового струму.

За певного значення струму в витку магнітна стрілка встановлюється в рівновазі. Підставивши значення із (207.2), одержимо

.

Таким чином, тангенс кута відхилення магнітної стрілки пропорційний струму в тангенс – бусолі:

. (207.3)

Величина - постійна, бо , R i N – постійні величини для даної місцевості і даної тангенс – бусолі. Тоді - для вимірювання сили струму. Звідси:

. (207.4)

Із формули для постійної тангенс – бусолі знаходимо напруженість магнітного поля Землі:

. (207.5)

Тангенс – бусоль являє собою круговий провідник великого радіуса, складений із кількасот витків провода (N=300 витків). В центрі його розміщена магнітна стрілка спеціальної форми в коробці під склом, щоб не було впливу повітряних течій. В коробці розміщена шкала в градусах для відліку кута повороту стрілки. Круговий провідник закріплено на підставці і його кінці виведені на щиток у вигляді двох клем. Електричну схему роботи зображено на рис. 207.3, де Т-Б – тангенс – бусоль; Е – джерело постійного струму; П – перемикач; R – реостат; мА – міліамперметр.

Рис. 207.3