Studiul a câmpului magnetic al Pământului - și să învețe cum să împerecheați!
Obiectiv: Pentru a studia parametrii câmpului magnetic al Pământului; familiarizarea cu metoda magnetometrice de măsurare a inducției câmpului magnetic.
Instrumente și accesorii: tangentă-galvanometru, o sursă de tensiune constantă, un comutator, un mA.
Elemente de teoria și metoda experimentală
Câmpul magnetic al Pământului ca domeniul unui glob uniform magnetizate. Coordonatele polilor magnetici: nord (emisfera sudică) - 78 ° S. w. și 111 ° c. d și sud (emisfera nordică.) - 78 ° c. w. și 69 ° W. d. Axa magnetică este înclinată în raport cu geografice 11 ° și compensate de 1140 km în Oceanul Pacific. Structura liniilor câmpului magnetic al Pământului de forță prezentate în Fig. 1 (NS - axa de rotație a Pământului).
Magnetic axa pol și în cele din urmă își schimbă poziția lor. Liniile de câmp magnetic sunt situate în jurul centrului Pământului prin emisfera sudică și, rotunjirea pământul înapoi la centrul prin emisfera nordică. Pământoase componentele câmpului magnetic pe suprafață sunt schimbate în următoarele intervale: vector total al inducției magnetice - de la + 62 - 73 mT, componenta orizontală - de la 0 la 41 mT.
Fig. 1. Structura liniilor de forță ale câmpului magnetic al Pământului
Câmpul magnetic al Pământului este supus unei variații seculare (în prezent câmp scade cu aproximativ 1% la fiecare 10 ani).
De fapt, câmpul Pământului are o configurație mai complexă decât domeniul unui glob uniform magnetizate. La aceasta se adaugă plăci neomogene câmp continentale, anomalii magnetice crusta superioară (magnetic inducție câmp anomalie Kursk atinge 200 mT), câmpul magnetic extra-terestru. La câmp magnetic constant suprapus, de asemenea, mai slabă () domenii variabile de natură diferită. O teorie cantitativă a câmpului geomagnetic în acest moment nu există. Se presupune că principala sursă a câmpului sunt curenții turbionari în miezul lichid al Pământului. Direcția de linii de câmp magnetic al pământului poate fi stabilită prin intermediul acului. Dacă firul de ac atârnat pe astfel încât punctul de suspensie și centrul de greutate sale coincid, atunci se stabilește în direcția tangentei la linia de forță a câmpului magnetic terestru (Fig. 2a). Unghiul dintre direcția vectorului de inducție la un anumit punct și planul orizontal se numește înclinația magnetică.
Planul vertical în care se află o parte se numește planul meridianului magnetic. Unghi (Fig. 2b) între meridianele magnetice și geografice numite declinației magnetice.
Fig. 2. Definirea direcțiilor de linii de câmp magnetic ale Pământului:
A - înclinație magnetică; b - declinației magnetice
Valorile pentru acest loc să se schimbe încet-a lungul timpului. Vector inducției câmpului magnetic al Pământului, în orice punct în spațiu poate fi descompusă în două componente: (. Figura 2a), orizontală și verticală.
săgeată verticală întărită pe axa este setată întotdeauna în direcția componentei orizontale a câmpului magnetic al Pământului.
înclinație magnetică, declinație și componenta orizontală a câmpului magnetic sunt principalii parametri ai câmpului magnetic terestru (elementele de bază ale magnetismului terestru).
Componenta orizontală a câmpului Pământului poate fi măsurată cu ajutorul unui instrument numit tangent-galvanometru (fig. 3). Acesta constă dintr-o bobină (mai multe conductoare de circulare prin care curge curent) situate vertical în planul meridian magnetic. In centrul bobinei un ac magnetic este plasat, care ar trebui să aibă dimensiuni mai mici decât diametrul bobinei. În acest caz, putem presupune că este într-un câmp magnetic uniform.
Fig. 3. Diagrama schematică a tan-galvanometru
plan bobina perpendicular pe planul orizontal, astfel încât să coincidă cu direcția acului. Curentul electric care curge prin spirele elicoidale, creează în centrul său un câmp magnetic, a cărui inducție direcționată perpendicular pe componenta orizontală a câmpului Pământului (fig. 3).
Ca rezultat al forțelor exercitate de cele două câmpului magnetic - bobina de câmp și câmpul magnetic al Pământului - un pointer este stabilit de direcția rezultantei lor. Fig. 3 că
Din ecuația (1) obținem
Câmpul magnetic al bobinei de inducție poate fi găsită pe baza Biot-Savart lege-Laplace:
După cum se poate observa din Fig. 4, toate elementele unui conductor circular cu curent creează un câmp magnetic în centrul aceeași direcție - de-a lungul normal de la bobina. Prin urmare, adăugarea de vectori pot fi înlocuiți prin adăugarea de modulele lor.
Dacă elementele conductoare sunt perpendiculare pe raza () și distanța de la elementele conductoare ale unui curent circular pentru a centra același și egal, apoi în conformitate cu (3)
În consecință, inducția magnetică în centrul conductorului circular cu curent
Coil, care este compus din mai multe spire (curenti de circulare) creează în centrul câmpului magnetic, inducția care este egală cu:
În cazul în care - curentul în înfășurările bobinei; - numărul de spire în bobina; - raza bobinei; - constanta magnetic (H / m).
Din ecuațiile (2) și (7) rezultă că componenta orizontală a câmpului magnetic al Pământului poate fi găsit din ecuația:
Cea mai mică eroare în determinarea componentei orizontale a câmpului magnetic al Pământului pentru o anumită locație se obține la un unghi de deviație a acului 45 °:
De la (9) rezultă că măsurarea componentei orizontale se reduce la măsurarea curentului care curge prin bobinele atunci când unghiul deviație este egală cu săgeata 45 °.
Astfel, bobina prin care trece curentul, un ac magnetic în centru poate fi utilizat pentru a determina componenta orizontală a câmpului magnetic terestru.
Dispozitivul, bazat pe principiul de mai sus, se numește tangentă-galvanometru. Acesta constă dintr-o bobină (număr de rotații și o rază indicată la instalare) fixat pe un stativ. În centrul bobinei este pe axa verticală a busolei, care se poate roti în jurul unei axe verticale.
Diagrama de instalare electrică este prezentată în Fig. 3. Aici - tensiune DC - miliamperi - comutator, schimba direcția curentului care curge prin bobina.
Ordinea de performanță
1. Așezați mosorul, astfel încât planul său coincide cu planul meridianului magnetic, t. E. direcția nord sau sud.
2. Porniți sursa de rețea de curent continuu și așteptați 1-2 minute.
3. Rotiți partea mobilă a busolei, astfel încât unghiul dintre indicatorul busolă și planul bobinei este egal.
4. Setați comutatorul la una dintre pozițiile de capăt și mânerul de pe sursa de alimentare, setați curentul în circuit, în care interiorul busolei se va roti, care este, se întoarce la poziția sa inițială. Se înregistrează valoarea curentă.
5. schimba direcția curentului în bobina (comutator P a pus cealaltă poziție de capăt) și pentru a realiza rotirea busolei interior. Din nou, notați valoarea.
6. Repetați pașii. 4-5 2 de mai multe ori.
7. Măsurări, stoca rezultatele în tabelul. 1. Atunci când este instalat corect, curenții bobina, și ar trebui să fie egale.
8. Se calculează componenta orizontală a inducției câmpului Pământului, folosind ecuația (9). precizie de măsurare Rata componentei orizontale a câmpului magnetic al Pământului.
Deoarece bobina tangent-galvanometru dificil de stabilit cu precizie direcția nord-sud, este posibil să se măsoare inducția magnetică fără suveică orientare preliminară, observând unghiurile de rotație a părții interioare a busolei și poziția inițială pentru ambele o anumită valoare a direcției curentului din bobina (vezi. Fig. 5).
Și în care - bobina de inducție la câmp direcții diferite curente ale acestora.
Din ecuațiile (10), (11) și (12) rezultă că
Folosind formula (13) se poate determina valoarea fără o orientare prealabilă a bobinei tangentei-galvanometru.
1. Așezați mosorul, astfel încât planul său nu coincide cu planul meridianului magnetic.
2. Se trece măsura curentului bobinei.
3. Modificați curentul la altul și măsura.
4. Generarea de măsurare unghiuri și la diferite valori ale curentului în circuitul bobinei (3-4 valori). măsurători, stoca rezultatele în tabelul. 2.