Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

ЛИПЕЦКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
 
 
 
 
КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКАЙИ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
 
 
 
 
 
 
 
Курсовая работа пофизике.
 
 
 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.
 
 
 
 
Выполнилстудент группы фпо–3
КазанцевН.Н.
Руководительдоцент кафедры ТОФ
Грызов Ю.В.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЛИПЕЦК
2000.
 
 
1.   МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
 
 
1.1.Магнитное поле
 
Экспериментально установлено что проводники, покоторым текут токи в одинаковом направлении притягиваются, а в противоположных– отталкиваются. Для описания взаимодействия проводов, по которым текут токи,было использовано магнитное поле – особой формы материя, порождаемаяэлектрическими токами или переменным электрическим током и проявляющаяся подействию на электрические токи находящиеся в этом поле. Открыл магнитное поле в1820 г. датский физик Х.К. Эрстед. Магнитное поле описывает магнитныевзаимодействия, возникающие: а) между двумя токами; б) между током идвижущимися зарядами; в) между двумя движущимися зарядами.
Магнитноеполе имеет направленный характер и должно характеризоваться векторнойвеличиной… Основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитнойиндукцией Эту величину принято обозначать буквой В.
/>
/>
Пронаблюдаем магнитное действие тока еще раз. В штативезакрепим провод, концы которого можно подключать к источнику тока. Рядом спроводом разместим магнитную стрелку от компаса, надетую на иглу. Пока ток невключен, разместим приборы так, чтобы стрелка указывала на провод. Приподключении концов провода к источнику постоянного тока стрелка«отвернется» от провода. Возьмем несколько магнитных стрелок ирасставим их вокруг провода. Мы обнаружим, что при включении тока стрелки развернутсяопределенным образом.
Если магнитные стрелки отклоняются от первоначальногонаправления, значит, в этих точках пространства действуют какие-то силы.Другими словами, в пространстве вокруг провода с током существует силовоеполе. Поскольку мы рассматривали именно магнитное действие тока, то скажем,что в пространстве вокруг проводника с током существует магнитное поле.
/>
Методсиловых линий, можно применить как для описания электрических полей, таки для описания полей магнитных. Договоримся называть силовыми линиямимагнитного поля такие воображаемые линии, вдоль которых располагаютсямагнитные стрелки, помещенные в это поле. Например, на рисунке «г» вывидите, что магнитные стрелки, помещенные на одинаковом расстоянии от прямогопроводника с током, расположились в виде окружности. Можно предположить, что ина другом расстоянии от проводника силовые линии магнитного поля тоже будутявляться окружностями.
 Проверимэто на опыте.
Продолжимопыты с магнитным полем прямого проводника. Пропустим его через отверстие влисте картона и закрепим в штативе. Пустим по проводу ток силой 5-10 А. Сверхуна картон будем аккуратно сыпать мелкие железные опилки. Мы увидим, что онирасположатся в виде окружностей, «опоясывающих» проводник.Следовательно, наше предположение подтвердилось: силовые линии магнитногополя прямого проводника с током являются концентрическими окружностями,опоясывающими проводник.
Такиелинии образуются потому, что опилки намагничиваются и ведут себя подобно маленькиммагнитным стрелочкам. Притягиваясь разноименными концами, они разворачиваются,образуя «цепочки» в виде кольцеобразных линий.
/>
Силовымлиниям магнитного поля принято приписывать определенное направление – в сторону, куда указывает северный конец магнитнойстрелки. Например, на рисунке «г» расположение северных концовуказывает нам, что силовые линии направлены против хода часовой стрелки. Еслиже изменить полярность подключения источника тока, то стрелки развернутся на180°, и силовые линии поля будут направлены по ходу часовой стрелки (рисуноквнизу). Другими словами, направление силовых линий магнитного поля проводниказависит от направления тока в этом проводнике.
/>
Таксложилось исторически, что току в проводнике приписывают направление: от”+” клеммы источника тока к его “–” клемме. Например,на рисунке «г» ток идет сквозь плоскость листа книги к нам, чтоусловно обозначено точкой внутри окружности, символизирующей разрез проводника.На этом же рисунке ток идет в обратном направлении: сквозь лист вниз (этообозначено крестиком).  Поэтомунаправление стрелок изменилось.
1.2Линии индукции магнитного поля.
 
Магнитные поля, так же как и электрические, можноизображать графически при помощи линий магнитной индукции. Линиями индукции (илилиниями вектора В) называют линии, касательные к которымнаправлены так же, как и вектор В в данной точке поля. Очевидно,что через каждую точку магнитного поля можно провести линию индукции. Так какиндукция поля в любой точке имеет определённое направление, то и направлениелинии индукции в каждой точке данного поля может быть только единственным, азначит, линии магнитного поля, так же как и электрического поля, линии индукциимагнитного поля прочерчивают с такой густотой, чтобы число линий, пересекающихединицу поверхности, перпендикулярной к ним, было равно (или пропорционально)индукции магнитного поля в данном месте. Поэтому, изображая линии индукции,можно наглядно представить, как меняется в пространстве индукция, аследовательно, и напряжённость магнитного поля по модулю и направлению.
1.3.   Вихревой характер магнитного поля.
 
Линии магнитной индукции непрерывны: они неимеют ни начала, ни конца. Это имеет место для любого магнитного поля,вызванного какими угодно контурами с током. Векторные поля, обладающиенепрерывными линиями, получили название вихревых полей. Мы видим, чтомагнитное поле есть вихревое поле. В этом заключается существенное отличиемагнитного поля от электростатического.
1.4.   Магнитноеполе токов.
 
Рассмотрим линии индукции поля прямого тока.Напряжённость Н (а следовательно, и В) всегдаперпендикулярна к плоскости, содержащей проводник и рассматриваемую точку поля.Поэтому линии индукции в данном случаи суть концентрические окружности, центркоторых расположен на оси тока.
Представление о виде линии индукции можно получить наопыте. Для этого пользуются тем обстоятельством, что подвижная магнитнаястрелка всегда устанавливается своей осью в направлении линий магнитного поля,т.е. линий индукции.
Ещё удобнее пользоваться железными опилками. Крупинкижелеза в магнитном поле намагничиваются и становятся подобными магнитнымстрелкам. При практическом осуществлении этих опытов исследуемый провод с токомпропускают сквозь горизонтальную стеклянную пластину (или листок картона), накоторую насыпают небольшое количество железных опилок. При лёгком встряхиваниипластинки (постукивании) частицы опилок образуют цепочки, форма которых близкосоответствует линиям исследуемого магнитного поля.
Магнитное поле кругового тока представляет из себязамкнутые непрерывные линии следующего вида:
/>
Для магнитного поля, как и для электрическогополя, справедлив принцип суперпозиции:
/>поле В, порождаемое несколькими движущимися зарядами(токами), равно векторной сумме  полей BI, порождаемых каждымзарядом (током) в отдельности:
/>,
т.е.,чтобы найти силу, действующую на точку в пространстве, нужно сложить силы, действующиена неё, как показано на рисунке.
Магнитное поле кругового тока представляет собой некую восьмёрку с разделениемколец в центре кольца, по которому течёт ток. Его схема показана на рисункениже:
/>

1.5.    Сравнениеэлектрического и магнитного полей.
/>
 

II.      ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.
Земля в целом представляет собой огромный шаровоймагнит. Человечество начало ис­пользовать магнитное поле Земли давно. Уже вначале XII—XIII вв. получает широкое распространение в мореходстве компас.Однако в те времена считалось, что стрелку компаса ориентирует Полярная звездаи её магнетизм. Предположение о существовании магнитного поля Земли впервыевысказал в 1600 г. английский естествоиспытатель Гильберт.
/>
В любой точке пространства, окружающего Землю, и на еёповерхности об­наруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве,окру­жающем Землю, создаётся магнитное поле, силовые линии которого изобра­женына рис.1.
Магнитные и географические полюса Землине совпадают друг с другом. Се­верный маг­нитный полюс Nлежит в южном полушарии, вблизи берегов Ан­тарктиды, а южный магнитный полюс Sнаходится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория(Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхностисо скоростью около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное полепроцессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, аотстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому,что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращенияпланеты,  мы можем пользоваться компасом.
Основная часть магнитного поля Земли, по современнымвоззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся еёядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее токвещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, тосоответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодарявращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некоторомприближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумяполюсами: южным и северным.
Незначительная часть магнитного поля  (около 1%) имеетвнеземное проис­хождение. Возникновение этой части приписывают электрическимтокам, те­кущим в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Эта частьмагнитного поля Земли подвержена слабому изменению со време­нем, котороеназывается вековой вариацией. Причины существования электрических токов ввековой вариации неизвестны.
В идеальном и гипотетическом предположении, в которомЗемля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поляпланеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита изшкольного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся отюжного полюса к северному. Плотность линий (напряжённость магнитного поля)падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится вовзаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемыхв изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-заудалённости можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром,так не поступишь. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся соскоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. В моментысолнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы большихпятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируютатмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и,благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникаютмагнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое ивзаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своемумагнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясахзахваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферуЗемли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредныдля всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, поодну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-завнешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую –возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземногопространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладаетвлияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Землисплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусовпланеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусовЗемли.
Основная часть магнитного поля Земли обнаруживаетаномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии, по-видимому,следует приписать присутствию в земной коре ферромагнитных масс или различиюмагнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеетпракти­ческое значение при исследовании полезных ископаемых.
Существование магнитного поля в любой точке Землиможно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NSна нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала сцентром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной ксиловой линии магнитного поля Земли.
/>

В северном полушарии — южныйконец будет наклонён к Земле и стрелка со­ставит с го­ризонтом уголнаклонения Q (на магнитном экваторе наклонение Q равно нулю). Вертикальная плоскость, в которойрасположится стрелка, назы­вается плоскостью магнитного меридиана. Всеплоскости магнитных меридиа­нов пересекаются по прямой NS,а следы магнитных меридианов на земной по­верхности сходятся в магнитныхполюсах N иS. Так как магнитныеполюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена отгео­графического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящаячерез стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим мери­дианом,называется магнитным склонением a(рис. 2). Вектор /> полейна­пряжёности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие:горизонтальную /> и вертикальную /> (рис. 3). Значение углов наклоне­ния и склонения, атакже горизонтальной составляющей /> дают возмож­ность определить величину и направлениеполной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитнаястрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будетустанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Землив плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая />,магнитное склонение a и на­клонение Q называются элементами земного магнетизма. Всеэлементы зем­ного магнетизма изменяются с течением времени.

III.    ТАНГЕНС — ГАЛЬВАНОМЕТР.
Рассмотрим круговой проводник из nвитков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, расположенных вертикально вплоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку,вращающуюся вокруг вер­тикальной оси. Если по катушке пропустить ток I,то возникает магнитное поле с напряжённостью H, направленноеперпендикулярно к плоскости катушки. Т.о., на стрелку будут действовать двавзаимно перпендикулярных поля: маг­нитное поле Земли и магнитное поле тока.Напряжённости обеих полей вза­имно перпендикулярны. На рис. 4. изображено сечениекатушки горизонталь­ной плоскостью. Здесь /> – вектор напряжённости поля, созданного круговымтоком, /> – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли.Стрелка установится по направлению равнодействующей />,т.е. по диагонали па­раллелограмма, сторонами которого будут векторнапряжённости магнитного поля кругового тока />/> и/>.Рассматриваярис.4 получим:
/>
/> ;
 с другой стороны. Напряжённость магнитного поля вцентре катушки тангенс–гальванометра равна:
/>;
где r – радиус витка. Тогда:
/>
откуда:
/>;   где    />.
Для данного места Земли и для данного прибора величина
/>                                                  (I )
явля­ется постоянной тангенс – гальванометра, тогда:_
/>                             (2 ).
Формулу ( 1 ) можно переписать в виде
/>                                          (3 ).
Таким образом, круговой проводник с магнитной стрелкойможет быть использован для изме­рения силы тока, текущего по цепи. Прибор,основанный на вышеописанном принципе, носит название тангенс–гальванометра.
Тангенс–гальванометр, используемый в данной работе,состоит из катушки, в центре которой на вертикальной оси располагаетсямагнитная стрелка. Стрелка может свободно вращаться внутри круглой коробки спрозрачной крышкой (компас). По контору дна коробки намечена круговая шкала,проградуирован­ная в угловых градусах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
 
/>
II.        Собрать электрическую цепь лабораторнойустановки по схеме. Источ­ником напряжения служит выпрямитель ВС–24 М.С.Спомощью пере­ключателя Кизменяютнаправление тока, текущего через тангенс–гальванометр tgq.
III.      Установить tgq так, чтобыплоскость витков катушки совпадала с плос­костью магнитного меридиана, т.е.чтобы магнитная стрелка расположи­лась в плоскости витков катушки, указывая приэтом на Си Ю.
IV.       Регулятор напряжения R напанели выпрямителя вывести в крайнее ле­вое положение. Включить выпрямитель ипоставить переключатель К в левое или правое положение. Регулятором напряжения Rустановить ток в цепи, указанный преподавателем (например: I=0,5A).Зафиксировать угол отклонения магнитной стрелки. Пе­рекинуть ключ К впротивоположное положение и также зафиксировать угол отклонения стрелки. Этонеобходимо для плоскости нахождения среднеариф­метического значения угла отклонениямагнитной стрелки, т.к. всегда имеется неточность в установлении витков tgq  в плоскости магнитного меридиана.
V.       Выполнить пункт 3 при значенияхтока, указанных преподавателем.
VI.      Результаты измерений занести втаблицу:
#
I
 j1
 j2
 jср.
 tgj
 H0
H0ср
DHо
DH0ср 1. 2. 3.
                                                                                                                                                                          Таблица1.
При каждом значении тока определить горизонтальнуюсоставляющую маг­нитного поля Земли по формуле:
/>                                  (4 );
т.к.в системе СИ коэффициент пропорциональности К  вформуле ( 2 ) равен />.
VI.      Найти среднеарифметическоезначение/>.
VII.    Вычислить погрешность вычисления /> прикаждом значении тока:
/>                     (5 ),
изатем среднее значение />.
VIII.   Записать окончательно результатработы в виде:
/>                                      (6 ).

Контрольные вопросы.
1.        Основные характеристики магнитногополя.
2.        Закон Био-Савара-Лапласа.
3.  Графическое изображение магнитныхполе:
3.1.          магнитное поле прямого тока;
3.2.          магнитное поле кругового поля.
4.  Магнитное поле Земли: магнитноенаклонение, горизонтальная составляющая поля, вертикальная составляющая поля.
5.  Вихревой характер магнитного поля.
6.  Принцип суперпозиций магнитныхполей.
Литература.
 
Ø Калашников С.Г.     «Электричество».
Ø Савельев И.В.                    «Курс общей физики», т.2.
Ø Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа,1989. Гл.22.
Ø Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам пофизике. М.: Высшая школа, 1970. с.177.
Ø Кортнев А.В., Рублёв Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшаяшкола, 1965. с.331.
/>