Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

Цель работы: определение горизонтальной составляющей магнитного

поля Земли.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, источник питания,

амперметр, реостат, двухполюсный переключатель.

Краткая теория

Магнитное поле возникает только вокруг движущихся электрических зарядов, например, вокруг проводника с током. Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции .

Для определения вектора магнитной индукции можно воспользоваться законом Ампера: на отрезок проводника с током силы I и длиной ℓ, в однородном магнитном поле с индукцией действует сила F, модуль которой равен

(1)

где α - угол между вектором и проводником с током.

Направление силы определяется по правилу левой руки (рис.1).

Таким образом, вектор магнитной индукции является силовой характеристикой магнитного поля и численно равен силе, действующей со стороны поля на единицу длины проводника, по которому течет электрический ток единичной силы и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля.

Отсюда следует и физический смысл единицы измерения в СИ магнитной индукции - тесла (Тл).

Тесла - это индукция магнитного поля, которое действует на проводник с током 1 А и длиной 1 м, расположенный перпендикулярно полю, с силой 1 Н.

За направление вектора принимается направление, в котором устанавливается северный полюс магнитной стрелки.

Для наглядности магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий.

Магнитной силовой линией называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с направлением вектора .

При изучении магнитных полей оказывается удобным ввести в рассмотрение, кроме индукции, еще одну расчетную векторную величину, получившую название напряженности магнитного поля , связанную вектором соотношением:

(2)

где μ₀ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная прони­цаемость.

Вектор - это вспомогательный вектор, не имеющий сколько-нибудь глубокого физического смысла. Однако во многих случаях он значительно упрощает изучение магнитного поля в магнетиках и обобщает некоторые важные закономерности на случай неоднородного поля.

Закон, с помощью которого описывается магнитное поле постоянного тока, носит название закона Био - Савара – Лапласа.

Этот закон читается так: индукция магнитного поля, создаваемая элементом тока на расстоянии от него, обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна величине элемента тока и синусу угла α между векторами и (рис. 2), т. е.

(3)

Аналогичное выражение для напряженности можно записать, воспользовавшись уравнениями (2) и (3):

(4)

Заметим, что индукция зависит от магнитных свойств среды (зависит от m), в то время как от μ не зависит.

Закон Био-Савара-Лапласа является одним из основных в электромагнетизме и широко применяется для расчета магнитных полей.

В качестве примера вычислим напряженность магнитного поля в центре кругового тока. В этом случае α = 90°, а I и r = R имеют постоянные значения для участка dℓ. Поэтому в соответствии с формулой (4), напряженность магнитного поля в центре кругового тока равна:

(5)

Магнитное поле Земли

Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитного поля. Другими словами, в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис. 4.

Земля - огромный магнит, полюса которого лежат вблизи гео­графических полюсов: вблизи южного полюса расположен северный магнитный N, а вблизи северного географического С - южный магнитный S. На рис. 4 для удобства южный географический полюс Ю изображен сверху.

Происхождение магнитного поля Земли до настоящего времени еще не выяснено. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, и отчасти намагниченностью горных пород , а так же и токами в радиационных поясах.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана.

Поскольку магнитные полюсы не совпадают с географическими, то стрелка будет отклонена от географического меридиана. Угол, который образуется между географическим и магнитным меридианами, называется магнитным склонением θ.

Направление силовых линий также устанавливается с помощью магнитной стрелки. Если подвесить стрелку на нити, то она устанавливается по направлению касательной к силовой линии. В северных широтах (географическая широта г. Владикавказа около 43°) ось стрелки наклонена к горизонту и составляет с ним угол, называемый углом наклонения α. Из чертежа видно, что на экваторе стрелка располагается горизонтально, у магнитных полюсов - вертикально, в остальных точках - под некоторым углом к горизонту.

Величина проекции напряженности магнитного поля Земли на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Н_з (рис. 4, точка К).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: