Исследовательская работа по физике на тему Исследование магнитного поля на территории МКОУ Бутурлиновская СОШ №1

Научно-исследовательская работа по физике

Тема работы:

Исследование магнитного поля на территории МКОУ Бутурлиновская СОШ №1

Автор: Завьялов Александр Александрович, обучающийся 11 «Б» класса

Научный руководитель: Тырнова Марина Васильевна, учитель физики и информатики МКОУ Бутурлиновская СОШ № 1.

Место выполнения работы:

МКОУ Бутурлиновская СОШ №1, Воронежская область, г. Бутурлиновка, ул. Ленина, 12.

2015 год

Содержание.

1.Введение………………………………………………………...…………….1

2. Теоретическое обоснование……………….…………………………..........2-5
2.1 Магнитное поле и его характеристики… ………………………………...2-5 2.2 Метод магнитной разведки……………….....……………………………..6
2.3 Принцип работы датчика индукции магнитного поля DT15..……….…7

3. Экспериментальная часть…………...……………………………….…......8
3.1 Этапы работы над исследованием………...……………………………....8
3.2 Подготовка и проведение эксперимента с помощью ЦЛ «Архимед».....9-10
3.3 Обработка и анализ результатов экспериментов ……………..………...11-12
4.Вывод…………………………………………………………....……………13

5. Рекомендации авторов исследования………………………………………

6.Список использованной литературы………..…...………………………...14

Приложения:
Приложение 1. Фотография МКОУ Бутурлиновской СОШ №1.
Приложение 2. Таблица результатов измерений и графики экспериментов.
Приложение 3. Диаграмма распределения индукции магнитного поля школы и пришкольной территории.

Введение.

После прохождения темы «Магнитное поле и его свойства» на уроке физики, где я познакомился с характеристиками магнитного поля Земли, свойствами магнитного поля стало возможным подробное изучение индукции магнитного поля для географической широты школы.

Меня интересовало изучение геомагнитного поля на территории нашей школы.

В ходе работы на основе теоретических сведений и стандартных значений индукций магнитного поля была построена карта магнитного поля МКОУ Бутурлиновской СОШ №1, и исследована с помощью метода магнитной разведки, основанного на различии магнитных свойств горных пород.

Цель работы:

изучить геомагнитное поле территории МКОУ Бутурлиновской СОШ №1 с помощью построения и анализа карты магнитного поля.

Гипотеза:

графическое представление геомагнитного поля позволяет исследовать магнитные аномалии на территории школы.

Задачи:

1. Пошагово измерить индукцию магнитного поля с использованием датчика и портативного компьютера Nova5000 цифровой лаборатории «Архимед» в каждой точке координатной плоскости вдоль выделенной линии.

2. Построить карту магнитного поля выбранного участка.

3. Проанализировать карту магнитного поля участка земной поверхности нашей школы

4. Сделать вывод о нахождении магнитных аномалий территории школы.

Метод: метод магнитной разведки.

2. Теоретическое обоснование исследования

2.1 Магнитное поле и его характеристики

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Перечислим основные свойства магнитного поля, устанавливаемые экспериментально:

1. Магнитное поле порождается электрическим током.

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.

Величина, характеризующая магнитное поле количественно называется вектором магнитной индукции и обозначают

Единицей магнитной индукции В является тесла (Тл) - магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на каждый метр прямолинейного проводника с током в 1 А, расположенного перпендикулярно направлению поля: 1 Тл = 1 Н /(А · м)= 1 Дж / (А·м²)= 1 В·с/м².

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Положительная нормаль направлена в ту сторону, куда перемещается буравчик, если вращать его по направлению тока в рамке. Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля. В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности. Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор в данной точке поля.

Для прямолинейного проводника с током линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле - вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.
Основы теории геомагнитного поля и магниторазведки.

Элементы геомагнитного поля и его происхождение.

В любой точке земной поверхности существует магнитное поле, которое определяется полным вектором напряженности Т, т.е. направлением действия и модулем.

Единицей напряженности магнитного поля в системе СИ является ампер на метр (А/мВ практике магниторазведки широко применяется также внесистемная единица напряженности магнитного поля - гамма (γ). Перечисленные единицы измерения напряженности магнитного поля соотносятся следующим образом: 1 А/м = 4π·10-1Э, 1Э = 105 γ

В реальных средах измеряемым параметром магнитного поля служит магнитная индукция В = μ0 Т(1+ χ), где μ0- абсолютная магнитная проницаемость вакуума (в СИ μ0 = 4π 10 -7 Гн м-1); χ - магнитная восприимчивость, χ = I / Тi; где I - индуктивная намагниченность. Единицей измерения магнитной индукции в СИ является

тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица В - нанотесла (нТл), 1 нТл = 10-9 Тл. Магниторазведочная аппаратура обычно находится в немагнитной среде - воздухе или воде, для которых

χ = 0, поэтому B= μ0T.

Следовательно, магнитное поле Земли может быть выражено либо в единицах магнитной индукции (нТл), либо в единицах напряженности, при

этом 1 нТл соответствует 1 γ.

В первом приближении магнитное поле Земли может быть уподоблено полю намагниченного шара или полю магнитного диполя Tдип, расположенного в области центра Земли, ось которого по отношению к оси вращения Земли составляет 11°. Места выхода продолжений оси этого диполя на поверхность Земли называют геомагнитными полюсами Земли. Область выхода южного конца оси диполя носит название северного магнитного полюса, а область выхода северного окончания оси диполя - южного. Северный магнитный полюс находится на 72° с.ш. и 96° з. д. в 1400 км от северного географического полюса Земли.

Многочисленными наблюдениями значений магнитного поля Земли показано, что в среднем полный вектор напряженности Т изменяется от 0,66 105 нТл на полюсах до 0,33 105 нТл в районе экватора. При этом вертикальная составляющая Z уменьшается от 0,66 105 нТл до нуля, а горизонтальная составляющая Н увеличивается от нуля до 0,33 105 нТл. Детальное изучение магнитных свойств горных пород различного возраста на разных континентах установило миграцию (изменение местоположения) магнитных полюсов и их инверсию, т. е. смену знаков (направления), происходящую с периодом от 0,5 до нескольких десятков миллионов лет.

Происхождение магнитного поля Земли объясняют различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре. Эта гипотеза основана на том установленном геофизиками факте, что на глубине 2900 км под мантией Земли находится внешнее жидкое ядро с высокой электрической проводимостью, которая объясняется большим числом свободных электронов в веществе ядра вследствие высоких температур и давления. Благодаря так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти то-

ки, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение же магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее - к увеличению магнитного поля и т.д.

Процесс подобной регенерации длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

Нормальное и аномальное магнитное поле

Вклад дипольной составляющей Tдип, в наблюденное магнитное поле Земли составляет примерно 70%, что объясняет такие его глобальные особенности, как увеличение напряженности магнитного поля в 2 раза при переходе от экватора к полюсу. В наблюденном поле выделяют также составляющие, связанные с особенностями внутреннего строения Земли, называемые материковыми аномалиями Tм. Эти плавно изменяющиеся компоненты образуют на Земле шесть крупных, соизмеримых с площадью материков положительных и отрицательных аномалий с амплитудой (0,1-0,2) 105 нТл.

В настоящее время еще не выработана единая точка зрения относительно происхождения Tм. Видимо, источники их располагаются на глубине около 3000 км, на уровне внешней границы ядра Земли. В практике магниторазведки принято называть нормальным геомагнитным полем (или главным магнитным полем Земли) в рассматриваемой точке сумму полей диполя Tдип и материковых аномалий Tм: Тнорм= Tдип+ Tм.

Нормальное магнитное поле Земли специально рассчитывают и существуют таблицы или карты Тнорм, Zнорм для определенного периода времени и для каждой точки Земли.

Отклонения наблюденных значений магнитного поля Земли Т от нормального поля Тнорм являются аномалиями магнитного поля ΔТа, ΔZа, ΔHа: ΔТа = T - Тнорм , ΔZ = Z - Zнорм

В зависимости от протяженности участка или площади, на которых они выделяются, аномалии магнитного поля подразделяют на локальные и региональные (относительно друг друга для данного района исследования). В северном полушарии направление намагничивающего поля Земли близко к вертикальному, поэтому более яркими и локализованными являются положительные аномалии. Интенсивность и характер магнитных аномалий зависят от интенсивности намагниченности горных пород I, которая определяется их магнитными свойствами и свойствами вмещающих пород и напряженностью магнитного поля Земли, а также зависит от формы, размеров и глубины залегания аномалообразующих масс. К магнитным свойствам кроме магнитной восприимчивости χ, определяющей индуктивную намагниченность Ii = χТ, относится остаточная намагниченность In , т. е. I ≈ Ii + In .

2.2 Метод магнитной разведки.

Магнитометрическая или магнитная разведка (магниторазведка) - это геофизический метод решения геологических задач, основанный на изучении магнитного поля Земли. Магнитные явления и наличие у Земли магнитного поля были известны человечеству еще в глубокой древности. Так же давно эти явления люди использовали для практической деятельности, например применение компаса для ориентации. Однако лишь со второй половины XIX в. измерения напряженности магнитного поля для поисков сильно магнитных рудных залежей привели к созданию магниторазведки. В России

специальные исследования магнитного поля с геологическими целями были проведены на Курской магнитной аномалии в конце XIX века. В 1919 г. была начата магнитная съемка Курской области, положившая начало генеральной магнитной съемке территории нашей страны и развитию всей отечественной разведочной геофизики.

Земля, как космическое тело определенного внутреннего строения, генерирует постоянное магнитное поле, называемое нормальным или первичным. Многие горные породы и руды обладают магнитными свойствами и способны под воздействием этого поля приобретать намагниченность и создавать аномальные или вторичные магнитные поля. Выделение этих аномальных полей из наблюденного или суммарного геомагнитного поля, а также их геологическое истолкование является целью магниторазведки.

От других методов разведочной геофизики магниторазведка отличается наибольшей производительностью, особенно в аэроварианте. Магниторазведка является эффективным методом поисков и разведки железных руд. Однако ее широко применяют и при геологическом картировании, структурных исследованиях и поисках других полезных ископаемых.

Принцип магнитной разведки для поиска объектов с отличными от окружающей среды магнитными свойствами заключается в измерении естественного магнитного поля Земли с очень маленьким шагом. Локальными возмущениями магнитного поля называют магнитными аномалиями. Аномалии магнитного поля вызываются индуцированной или остаточной намагниченностью. Индуцированная намагниченность - объект в магнитном поле земли становится намагниченным из-за воздействия на него земного магнитного поля, а остаточная намагниченность - это намагниченность, которая существует в объекте даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

2.3 Принцип действия датчика.

В приборе используется датчик Холла (преобразователь на эффекте Холла), который выдает напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля. Датчик измеряет осевую компоненту магнитного поля, параллельную трубке датчика. Линия, нанесенная на лицевой стороне корпуса датчика, указывает на точное расположение в нём преобразователя Холла.

Когда датчик расположен в магнитном поле, он регистрирует только положительные значения.

3. Экспериментальная часть.

3.1 Общий план работы над проектом реализован следующим образом.
1. Выбор темы проекта.
2. Выбор участка пришкольной территории, вызывающий интерес для исследования.
3. Изучение соответствующей литературы.
4. Освоение практических умений использования оборудования.
5. Разметка выбранного участка (нанесение координатной сетки) с помощью немагнитных шнуров.
6. Пошаговые измерения индукции магнитного поля с помощью датчика и портативного компьютера NOVA5000 ЦЛ «Архимед» в каждой точке координатной плоскости вдоль выделенной лини.
7. Обработка результатов измерений и построение графиков соответствия индукции магнитного поля и координаты точки на выбранном участке.
8. Построение карты магнитного поля участка земной поверхности.
9. Анализ карты магнитного поля участка земной поверхности. Интерпретация полученного результата. Вывод.
10. Предложение карты администрации школы. Карта может быть рекомендована для практического использования техническими службами различных коммуникаций и проектно-строительными организациями.
11. Проведение конференции, завершающей работу по проекту с предъявлением и защитой полученных результатов.

3.2 Подготовка эксперимента.

1. Для точного ориентирования горизонтального вращения датчика проверили горизонтальность поверхности стола с помощью уровня.

2. Для точного ориентирования вертикального вращения датчика укрепили отвес.

3. Лист бумаги закрепили на столе липкой лентой, отметили центр вращения.

4. Установили переключатели на датчике магнитного поля в положение, соответствующее высокой чувствительности датчика.

5. Подключили датчик к Nova.

6. Включили Nova и запустили программу MultiLab.

7. Установили параметры измерений. Частота измерений:10 замеров/с. Замеры: непрерывно.

Проведение эксперимента.

1. Определили в лаборатории место, удалённое от ферромагнитных материалов и магнитных полей. Предусмотрели такое пространство, чтобы была возможность проворачивать датчик на 360 градусов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

2. Начали регистрацию данных.

3. Провернули датчик магнитного поля на полный оборот в горизонтальной плоскости. Наблюдали построение графика изменения магнитного поля от времени.

4. Нашли положение, в котором сигнал максимален, отметили его на листе бумаги. Сравнили отмеченное положение с положением стрелки компаса. Установили датчик вертикально плоскости, проходящий через отмеченное положение. После этого провернули его на полный оборот в этой плоскости, ориентируясь по отвесу.

5. Измерили транспортиром угол наклона датчика к горизонту при максимальном значении индукции магнитного поля Земле.

6. Остановили регистрацию и получили график зависимости магнитной индукции от времени.

3.3 Анализ результатов экспериментов.

1. Если график оказался «шумным», выполняем сглаживание.

2. Посредством двух курсоров определили разности между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика. В информационной панели окна графика нашли значение выделенного интервала по оси Y. Эта величина вдвое превышает значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Записали эту величину в тетрадь.

3. Чтобы лучше рассмотреть данные, полученные при вертикальном вращении датчика, воспользовались инструментом «увеличить» на панели инструментов окна графика.

4. Посредством двух курсоров определили разности между максимальным и минимальным значениями индукции при вертикальном вращении датчика. В информационной панели окна графика нашли значение выделенного интервала по оси Y. Эта величина вдвое превышает значение индукции магнитного поля Земли. Записали эту величину в тетрадь.

5. Использовал два последних значения для определения угла наклона магнитного поля Земли. Косинус угла наклона стал равен отношению разницы между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика к разности между максимальным и минимальным значениями индукции при вертикальном вращении датчика. Вычислил величину угла, зная его косинус. Сравнил со значением угла, измеренным с помощью транспортира.

Заключение.

Моё исследование носит практический характер. Я научился ставить цели эксперимента, на основании теории, выдвигать гипотезу, подбирать приборы и материалы, проводить эксперимент, анализировать его и делать выводы.

Вывод: г. Бутурлиновка (50˚45'с.ш. 40˚36' в.д.). Значение индукции магнитного поля ≈ 52000 нТл.
После проведенных исследований распределение магнитной индукции составило: от 50600 нТл до 52400 нТл. Это свидетельствует о том, что магнитное поле пришкольной территории неоднородно.
С помощью таблицы магнитной восприимчивости веществ определили магнитные аномалии пришкольной территории.

Белый цвет - это аномалия большой массы песка или известняка.

Темные пятна - это пики аномалий от отдельных металлических объектов (части арматуры или крупные металлические осколки). Вдоль правой стороны обширная размытая аномалия небольшой интенсивности (часть металлического трубопровода). На концах трубы ярко выраженные аномалии - колодцы на поверхности земли.
Таким образом, цель исследования достигнута, гипотеза подтверждена. Карта может быть рекомендована для практического использования техническими службами различных коммуникаций.

Список использованной литературы:

1. Бубликов С.В., Михайленко М.А. Графические методы как средство развития методической культуры учащихся // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Н. Новгород: Изд - во ННГУ, 2011. №3. Ч.З: Серия: Инновации в образовании. С. 20-25.

2. Цифровая лаборатория «Архимед». Версия 3.0.: методический материалы. М.: институт новых технологий, 2007. 376 с.

3. Мякишев Г.Я. Физика 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровни/Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский; Под редакцией В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. - 19-е изд. - М.: Просвещение, 2012. - 366с.: ил. - (Классический курс). - ISBN 978-5-09-022776-6.

4. experiment.edu.ru/ - коллекция видеоэкспериментов федерального портала общего образования,

5. school-collection.edu.ru/ - коллекция образовательных ресурсов для школы,

6. en.edu.ru - федеральный портал естественнонаучного образования,

7. ntpo.com/physics/opening.shtml - открытия в физике

8. informnauka.ru/ - агентство научных новостей

Приложение 1. Фотография МКОУ Бутурлиновской СОШ №1.

Приложение 2. Таблица результатов и графики экспериментов

Время(с)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

Магн.инд.|/O-1(мТл)

0

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,02

0,1

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,02

0,2

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,02

0,3

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,4

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,5

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,6

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,7

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,8

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

0,9

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1,1

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1,2

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1,3

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1,4

0,02

-0,04

-0,03

-0,01

0,02

-0,03

1,5

0,02

-0,04

-0,03

-0,02

0,02

-0,02

1,6

0,02

-0,04

-0,03

-0,02

0,03

-0,02

1,7

0,02

-0,04

-0,03

-0,02

0,03

-0,02

1,8

0,02

-0,04

-0,03

-0,02

0,03

-0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02

Приложение 3. Диаграмма распределения индукции магнитного поля школы.

25