Теоретическая часть. Ознакомление с основными количественными характеристиками магнитных полей и методами их измерения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы:

Ознакомление с основными количественными характеристиками магнитных полей и методами их измерения. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Идея эксперимента:

В случае простейших конфигураций (прямой ток, тороид, бесконечной длины соленоид) значение напряженности магнитного поля легко находится с помощью теоремы о циркуляции , в более сложных случаях (соленоид конечной длины и др.) расчет затруднителен. Поэтому в ряде случаев удобнее экспериментально определить , а затем рассчитать . Величину магнитной индукции можно измерить различными способами или непосредственно прибором, называемым тесламетром (рис 4.)

Теоретическая часть

Экспериментально установлено, что в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Магнитное поле в данной точке может быть охарактеризовано вектором магнитной индукции и вектором напряженности , которые связаны соотношением:

где μ ₀=4π ·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость вещества, показывающая во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше магнитной индукции в вакууме.

Магнитное поле обладает следующими свойствами:

· магнитное поле действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

· магнитное поле подчиняется принципу суперпозиции .

· магнитное поле является вихревым, т.е. линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током.

Количественно магнитные поля можно рассчитать по закону Био-Савара-Лапласа:

,

где I – сила тока, –вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током, – радиус вектор, проведенный из элемента проводника dl в точку поля, в которой определяется .

Магнетизм Земли.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Хотя магнетизм Земли в течение уже нескольких тысячелетий использовался для определения сторон света с помощью магнитных стрелок, лишь в 1600 г. Уильям Гильберт научно доказал, что Земля – магнитный диполь. Строгую теорию геомагнетизма и методы магнитных измерений разработали в 30-е годы XIX века Карл Гаусс и Вильгельм Вебер.

В любой точке пространства, окружающего Землю, обнаруживается действие магнитных сил. Форма силовых линий магнитного поля Земли показана на рис.1 Северный магнитный полюс Земли находится в южном полушарии и имеет координаты 78° ю. ш. и 111° в. д., а южный магнитный полюс располагается в северном полушарии и имеет координаты 78° с. ш. и 69° з. д.. Эти значения непостоянны, так как со временем магнитные полюсы и ось меняют своё положение. Из сказанного следует, что магнитные полюса планеты смещены относительно географических полюсов более чем на 2000 км каждый. Это расстояние с годами возрастает по неизвестным науке причинам (в 1600 году оно составляло всего 1300 км).

Рис. 1	Рис. 2

Угол между горизонтальной составляющей вектора и плоскостью географического меридиана называется магнитным склонением α и измеряется при помощи деклинаторов. В результате неоднородности земного магнитного поля его вектор индукции на экваторе направлен строго горизонтально, на магнитных полюсах – вертикально, а на всех остальных широтах – под некоторым углом к горизонту. Этот угол называется магнитным наклонением θ, которое измеряется посредством инклинаторов. Существование магнитного наклонения приводит к тому, что северный полюс магнитной стрелки, подвешенной в северном полушарии, располагается несколько ниже южного полюса, а в южном полушарии – наоборот (на глаз это незаметно). Такую ориентацию можно описать векторной суммой горизонтальной и вертикальной составляющих вектора индукции магнитного поля Земли (рис. 2). Вертикальную составляющую этого поля измеряют при помощи упомянутого выше инклинатора, а горизонтальную – при помощи тангенс-гальванометра. В стрелочном инклинаторе главной частью является магнитная стрелка с горизонтальной осью, проходящей через центр тяжести стрелки. Если вертикальную плоскость качания стрелки совместить с плоскостью магнитного меридиана, магнитная ось стрелки устанавливается по направлению вектора напряженности магнитного поля. Магнитное наклонение отсчитывается по вертикальному кругу с делениями. Более точные индукционные инклинаторы позволяют измерить наклонение с точностью до 0, 1΄. В таком приборе индукционная катушка вращается вокруг оси, лежащей в плоскости ее витков. Прибор дает возможность ориентировать ось в любом направлении. Если она не совпадает с вектором напряженности магнитного поля Земли, то магнитный поток сквозь контур катушки при ее вращении меняется, и в ней индуцируется эдс. При совпадении оси вращения с направлением вектора напряженности поток сквозь ее контур остается постоянным, эдс не индуцируется, и включенный в цепь катушки чувствительный гальванометр не дает отклонений. Угол между горизонтальной плоскостью и осью катушки при отсутствии отклонений в гальванометре отсчитывается по вертикальному кругу, соединенному с осью катушки. Точные измерения показали, что в настоящее время горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции B на поверхности планеты принимает значения от 0 до 41 мкТл, а полный вектор индукции изменяется в пределах от +62 до –73 мкТл.

Магнитное поле Земли меняется и во времени. В настоящее время магнитное поле планеты убывает примерно на 1% каждые 10 лет.