Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №16
ПО ФИЗИКЕ

(Раздел «Электричество и магнетизм»)

Ростов-на-Дону 2012

УДК 535.21/075.6

Составители: проф. С.И. Егорова, доц. И.Н. Егоров, проф. Г.Ф. Лемешко

Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли: метод. указания к лабораторной работе № 16.
– Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2012. – 8 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

Печатается по решению методической комиссии факультета
«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор д.т.н., проф. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2012

Цель работы: Определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, миллиамперметр, реостат, источник тока, выпрямитель, переключатель.

Краткая теория

Земля представляет собой огромный магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса лежит южный магнитный , а вблизи южного географического – северный магнитный полюс .

Вектор индукции магнитного поля Земли на экваторе направлен горизонтально, а у магнитных полюсов – вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле направлено под некоторым углом к горизонтальной плоскости. Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки.

Для нахождения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (т.е. величины проекции вектора индукции на горизонтальную плоскость) используется тангенс-гальванометр, который представляет собой катушку радиусом с числом витков , плотно прилегающих друг к другу, расположенную вертикально в плоскости магнитного меридиана. Толщина обмотки во много раз меньше радиуса катушки, и ею можно пренебречь. В центре катушки в горизонтальной плоскости расположена магнитная стрелка, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Магнитная стрелка при отсутствии тока в катушке будет расположена по магнитному меридиану Земли N-S (рис.1). Поворотом катушки около вертикальной оси можно добиться совмещения плоскости катушки с плоскостью магнитного меридиана, т.е. плоскость катушки устанавливается перпендикулярно горизонтальной плоскости так, чтобы она совпадала с направлением магнитной стрелки. Если после такой установки катушки по ней пропустить ток , то магнитная стрелка повернется на некоторый угол , установившись вдоль индукции результирующего поля (N₁-S₁) (см.рис.1), т.е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого являются вектор индукции магнитного поля кругового тока и горизонтальная составляющая магнитного поля Земли . Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будут действовать два поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли и магнитное поле , созданное током (см.рис.1). Согласно принципу суперпозиции полей .

Направление вектора определяется по правилу правого винта, а модуль – по формуле, вытекающей из закона Био-Савара-Лапласа:

, (1)

где - сила тока, протекающего в катушке, - число витков катушки, - средний радиус катушки, - магнитная постоянная.

Из рис.1 видно, что

. (2)

Подставляя (1) в (2), получаем

, (3)

где - угол отклонения магнитной стрелки.

Описание установки

Установка для определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли представлена на рис. 2. Тангенс-гальванометр состоит из катушки, укрепленной на вращающейся подставке. В центре катушки на вертикальной оси укреплен легкий круг (лимб) с делениями, в центре которого расположена стрелка. На электрической схеме: источник тока, - выпрямитель, - реостат, – миллиамперметр, – переключатель, меняющий направление тока, проходящего по виткам катушки тангенс-гальванометра.

Рис.2

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме, изображённой на рис. 2.

2. Поворачивая подставку тангенс-гальванометра установить стрелку компаса на 0^о (180^о). В этом случае витки катушки расположены в плоскости магнитного меридиана.

3. Определить цену деления миллиамперметра .

4. Установить переключатель в положение 1.

5. Включить выпрямитель .

6. Двигая ползунок реостата , добиться поворота стрелки на угол (первое значение угла). Записать соответствующее этому углу число делений , на которое отклонилась стрелка миллиамперметра.

7. Рассчитать силу тока по формуле .

8. Проделать аналогичные измерения для всех углов, указанных в таблице.

9. Результаты занести в таблицу.

10. Установить переключатель в положение 2 и повторить все измерения п.п. 5-9 для силы тока .

11. Вычислить среднее значение силы тока для каждого угла по формуле .

12. Рассчитать для каждого угла горизонтальную составляющую индукции по формуле (3). (значения и указаны на установке).

13. Рассчитать среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли .

14. Рассчитать абсолютные погрешности каждого измерения по формуле .

15. Рассчитать среднее значение абсолютной погрешности .

16. Рассчитать относительную погрешность по формуле

.

17. Результат эксперимента представить в виде:

Таблица

№
	мА дел	град	-	дел	мА	дел	мА	мА	Тл	Тл	%
1			0, 36
		0, 47
		0, 58
		0, 70
		0, 84
		1, 00
		1, 19
		1, 43
		1, 73
ср

Контрольные вопросы(для защиты)

1. Как устанавливается магнитная стрелка в магнитном поле? Почему?

2. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа. Как определить направление векторов индукции магнитного поля, образованного круговым током?

3. Объясните устройство и принцип действия тангенс-гальванометра.

4. Почему следует ориентировать катушку тангенс-гальванометра в направлении магнитного меридиана?

5. В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?

Рекомендуемая литература

1. Федосеев В. Б. Физика / В. Б. Федосеев. – Ростов н/Д: Феникс, 2009.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 3 / И.В. Савельев. – СПб.: Лань, 2006.

3. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк, 2004.

4. Кунаков В.В. Магнетизм: учеб.-метод. пособие / В.В. Кунаков [и др.]. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011.

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать 19.01.2012.

Объём 0, 5 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №.Тираж 60 экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1