Описание экспериментальной установки и методики выполнения работы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Методические указания к лабораторной работе № 16-Б

по физике

(раздел «Электричество и магнетизм»)

Т.В. Шкиль , Т.С. Беликова

Ростов-на-Дону

УДК 530.1

Составители: Т.В. Шкиль, Т.С. Беликова

Определение индукции геомагнитного поля: метод. указания к лабораторной работе № 16-Б по физике. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2015. – 12 с.

Указания содержат краткую теорию по теме «Магнитное поле», описание рабочей установки и методику экспериментального определения индукции геомагнитного поля.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Автоматизация, мехатроника и управление»

Рецензент: д. т. н., проф. В.С. Кунаков

©Издательский центр ДГТУ, 2015

Цель работы: определение индукции геомагнитного поля (магнитного поля Земли).

Оборудование: две катушки Гельмгольца, источник тока, реостат, мультиметр, инклинатор.

Краткая теория

Магнитное поле – форма существования материи, окружающей проводники с током и постоянные магниты. Поле имеет направленный характер, а его векторная силовая характеристика называется магнитной индукцией.

Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный (рис. 1).

Направление магнитных линий прямого тока (рис. 2) определяется правилом правого винта: если поступательное движение правого винта направить по току в проводнике, то направление вращения его головки укажет направление магнитных линий. Магнитные линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, охватывающие проводник.

Для определения магнитной индукции можно использовать закон Ампера. Если проводник длиной с током расположен перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля,

,

т. е. индукция магнитного поля – векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

Индукция магнитного поля измеряется в теслах:

.

1Тл - индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

Опыт показывает, что для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:

.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа каждый элемент проводника с током (рис. 3) создает магнитное поле, вектор индукции которого в некоторой произвольной точке К определяется по формуле:

.

Из закона Био-Совара-Лапласа следует, что направление вектора совпадает с направлением векторного произведения . Такое же направление дает и правило правого винта (буравчика).

Учитывая, что модуль векторного произведения ,

,

где - элемент проводника, сонаправленный с током;

- радиус-вектор, соединяющий c точкой K;

a - угол между и .

Закон Био-Савара-Лапласа позволяет найти в заданной точке пространства индукцию магнитного поля тока, текущего по проводнику конечных размеров и произвольной формы.

Земля представляет собой гигантский магнит, порождающий геомагнитное поле Земли и околоземного космического пространства. Магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов: северный магнитный полюс N – вблизи южного географического s, а южный магнитный полюс S – вблизи северного географического N (рис. 4). Как видно из рис. 4, вектор индукции геомагнитного поля на магнитных полюсах направлен вертикально, на магнитном экваторе – горизонтально, а в остальных местах – под некоторым углом (рис. 5) к горизонтальной плоскости земной поверхности в данной точке.

Для измерения магнитного наклонения, т.е. угла , образованного вектором индукции магнитного поля Земли с горизонтальной плоскостью, используется прибор, называемый инклинатором (от лат. inclino– наклоняю). Инклинатор представляет собой магнитную стрелку с градусной шкалой, способную поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Описание экспериментальной установки и методики выполнения работы

Общий вид установки изображен на рис. 6.

Рис. 6

Установка, представленная на рис.6. состоит из катушек Гельмгольца 1, подключённых через реостат 2 к источнику постоянного тока 3. Сила тока в цепи измеряется мультиметром 4, который используется в качестве амперметра. Катушки Гельмольца представляют собой две соосно расположенные одинаковые катушки, расстояние между центрами которых равно их среднему радиусу. При пропускании тока в центре такой системы возникает зона однородного магнитного поля, куда помещается инклинатор 5.

Величина индукции магнитного поля в центре этой зоны, рассчитанная на основании закона Био-Савара-Лапласа, определяется формулой

, (1)

где – магнитная постоянная; N– число витков в катушке; I– сила тока в катушке.

Для данной установки , , .

Перед началом работы установка должна быть ориентирована таким образом, чтобы плоскости катушек были параллельны магнитной стрелке инклинатора, помещённого в центре установки между катушками. Магнитная стрелка указывает направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли и показывает при этом . При пропускании тока через катушки вектор магнитной индукции поля катушек и будут взаимно перпендикулярны (рис. 7).

В этом случае на магнитную стрелку действует магнитное поле катушек с током и горизонтальная составляющая магнитного поля Земли . Согласно принципу суперпозиции полей , поэтому стрелка ориентируется вдоль , отклоняясь на угол от первоначального направления (рис. 7).

Как видно из рис. 7,

. (2)

Если при отсутствии тока в катушках повернуть градуировочный круг инклинатора в вертикальную плоскость, его магнитная стрелка ориентируется вдоль силовой линии геомагнитного поля, т.е. вдоль (рис. 5), отклоняясь на угол от горизонтального направления; при этом

. (3)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: