Физика

Дата____________Класс: 10 ^«б»

Лабораторная работа №12. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение горизонтальной составляющей

напряженности магнитного поля Земли

ОБОРУДОВАНИЕ: тангенс-гальванометр, миллиамперметр,

реостат, источник постоянного тока

1 КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Магнитное поле представляет собой особую форму материи,

посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными

частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля

является факт существования электромагнитных волн. Магнитное поле, как и

электрическое, является частным проявлением единого электромагнитного

поля.

Главное свойство магнитного поля заключается в том, что оно действует

только на движущиеся в нем электрические заряды. Электрическое поле

действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические

заряды.

Характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от

формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и от

направления тока.

.МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ: измеряя угол между направлением вектора горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и вектором индукции магнитного поля, получившегося в результате наложения поля Земли на поле, индукцию которого легче вычислить, вычисляют величину горизонтальной составляющей индукции поля Земли.

4. ВВЕДЕНИЕ.

Известно, что вокруг проводников с током возникает магнитное поле. Определить величину этого магнитного поля можно, использовав закон Био - Савара - Лапласа

где - вектор магнитной индукции, создаваемой элементом длины проводника dl в точке на расстоянии r от этого элемента;

k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц и среды, в которой находится проводник;

I - сила тока в проводнике

В скалярном виде, с учетом значения коэффициента пропорциональности в системе СИ получаем:

где m - относительная магнитная проницаемость среды, в которой находится проводник;

m₀ - 4p×10^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Используя закон Био-Савара-Лапласа, можно вычислить индукцию полей проводника с током в независимости от их формы, размеров и положения точки, в которой вычисляют индукцию.

Во многих случаях возникает необходимость в измерении индукции магнитных полей, когда неизвестны токи, создающие поле Земли.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. в пространстве вокруг Земли существует магнитное поле. Северный магнитный полюс имеет координаты 74^° южной широты и 155° восточной долготы (от Гринвича), южный - 74°30¢ северной широты и 95°30¢ западной долготы. Положение магнитных полюсов Земли со временем изменяется. Существование магнитного поля Земли обнаруживается с помощью магнитной стрелки.

Если подвесить магнитную стрелку NS на нити так, чтобы точка подвеса совпадала с ее центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Ось стрелки в данном месте Земли образует с горизонтом угол q, называемый магнитным наклонением (рис. 2). Для Москвы угол магнитного наклонения равен 70°.

Вектор В полной магнитной индукции магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную В₀ и вертикальную В_z. Если определить одну из составляющих, то, зная угол магнитного наклонения, можно определить и полную индукцию магнитного наклонения, можно определить и полную индукцию магнитного поля Земли.

Пусть имеется круговая катушка из n витков, расположенного в плоскости магнитного меридиана. В центре катушки помещена магнитная стрелка, которая легко поворачивается вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток, то в центре катушки возникает магнитное поле с индукцией В. В результате на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля (рис. 3), магнитное поле Земли (точнее его горизонтальная составляющая) и магнитное поле катушки с током. Магнитная стрелка установится вдоль В₁, т.е. по диагонали параллелограмма со сторонами В₀ и В.

В = В₀tgb

Так как индукция магнитного поля в центре катушки

B = mm₀ (2.11.2)

то

где - постоянная для данной катушки величина.

Следовательно, круговая катушка с магнитной стрелкой, помещенной в ее центе, может служить для измерения магнитного поля, в которое она помещена, или для измерения магнитного поля, в котором она помещена, или для измерения силы тока, текущего по виткам катушки, если индукция магнитного поля известна. При этом магнитную стрелку следует брать малых размеров по сравнению с радиусом витков катушки, так как формула (2.11.1) пригодна лишь для точки, находящейся в центре катушки. Прибор, основанный на этом принципе, называют тангенс-гальванометром.

5. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

Электрическая схема лабораторной установки дана на рис. 4. На схеме ВС12 - выпрямитель на 12 В для питания катушки тангенс - вольтметра ТГ, К - двойной переключатель для изменения направления тока в катушке ТГ, R - реостат для регулировки величины тока в катушке ТГ, А - многопредельный миллиамперметр (на 50-100-200 мА) для измерения силы тока в цепи. Общий вид применяемого в работе тангенс - гальванометра показан на рис. 5.

Прибор состоит из кольцевой катушки 1, установленной на основании 2. Клеммы 3, помещенные на основании, служат для подключения к катушке источника тока. К основанию 2 крепится стержень 4, на котором установлена магнитная стрела с отсчетной шкалой, расположенной горизонтально. Стрелка и шкала помещены в корпусе 5, защищающем их от механических повреждений. Вся система с магнитной стрелкой может поворачиваться вокруг вертикальной оси и закрепляться в нужном положении. Она расположена так, что острие, на котором находится магнитная стрелка, совпадает с центром катушки.

6. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛННЕИЯ РАБОТЫ.

6.1. Собрать схему

6.2. Поворачивая тангенс - гальванометр вокруг вертикальной оси, установить плоскость его катушки в плоскости магнитного меридиана. При этом магнитная стрелка должна находиться в плоскости катушки. Поворачивая шкалу, установите ее так, чтобы направление 0° - 180° совпадают с плоскостью катушки.

6.3. Включить цепь и, перемещая ползунок реостата, добиться отклонения стрелки тангенс - гальванометра на угол j₁ = 30°. Записать величину тока I₁ = по миллиамперметру.

6.4. Переключателем К изменить направление тока в катушке и снова добиться отклонения стрелки на угол j₁ = 30° (в другую сторону). Записать величину тока I₂.

6.5. Вычислить и записать I_ср = (I₁ + I₂)/2.

6.6. По формуле вычислить и записать постоянную С, по формуле (2.11.3) вычислить В₀₁. n - число витков катушки (50, 75, 100) берется по указанию преподавателя.

6.7. Повторить указанное в пунктах 3-6 для углов j₁ = 45°, j₁ = 60°. Вычислить В₀₂, В₀₃. Перед каждым измерением проверять начальную установку прибора.

6.8. Вычислить В_ср = (В₀₁+В₀₂+В₀₃)/3.

6.9. Для каждого полученного значения В₀ найти абсолютную погрешность измерения по формуле:

где DI - абсолютная погрешность измерения тока (определяется по классу точности прибора);

Dr - погрешность измерения радиуса катушки (принять Dr = 1 см);

погрешность измерения угла принять Db = 0,5°, при вычислениях брать Db в радианах. Вычислить Db_ср.

6.10. Результат работы записать в виде:

В₀ = В_0ср±DВ_ср

6.11. Все измеренные и вычисленные величины записать в таблицу 1.

Таблица 1.

Число

витков

b, град

I₁

I₂

I_ср

С

В_0i

DB

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

7.1. Запишите в системе СИ и сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.

7.2. Как определить направление вектора магнитной индукции поля проводника с током?

7.3. Почему измерения тангенс-гальванометром выгоднее проводить при угле j₁ = 45°?

7.4. Докажите (выведите) формулу (2.11.2).