Экспериментальная установка и методика измерений

Точки Земли, в которых напряженность магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс (в южном полушарии) и южный магнитный полюс (в северном полушарии). Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряженность магнитного поля в точках магнитного экватора имеет горизонтальное направление. Напряженность магнитного поля на магнитном экваторе около 0.34 эрстед; у магнитных полюсов около 0.66 эрстед. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряженность резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 эрстед. Принцип работы тангенс-гальванометра заключается во взаимодействии магнитного поля катушки с магнитным полем Земли.

Экспериментальная установка состоит из прибора, названного тангенс-гальванометром, источника постоянного тока и амперметра. Принципиальная электрическая схема установки представлена на рис. 11.6.

Тангенс-гальванометр (рис. 11.7, 11.8) состоит из двух параллельных тонких катушек 1, находящихся на расстоянии d друг от друга. На каждой из катушек радиусом R намотано N витков медного провода. Катушки вертикально закреплены на подставке 3. На этой подставке в центре между катушками установлена буссоль 2. Буссоль представляет собой прибор, в котором на острие иглы установлена магнитная стрелка. Под стрелкой находится шкала, по которой производится отсчет угла поворота стрелки.

Экспериментальная установка и методика измерений - №1 - открытая онлайн библиотека Магнитное поле одной тонкой катушки не является однородным (см. формулу (11.11)). Однако магнитная стрелка в условиях опыта должна представлять собой точечный магнитный диполь, то есть быть достаточно малой по сравнению с расстоянием, на котором магнитное поле катушки будет существенно изменяться.

 
  Экспериментальная установка и методика измерений - №2 - открытая онлайн библиотека

Для создания однородного поля в работе используются катушки Гельмгольца – две одинаковые тороидальные катушки, расположенные в параллельных плоскостях так, что центры их находятся на общей оси (4 и 5 на рис.11.7). Наибольший относительный объем однородного поля получается, если расстояние между плоскостями катушек равно их радиусу: d=R. При наложении их магнитных полей неоднородности суммарного поля в пространстве между такими катушками составляют ≈5%.

Суммарное магнитное поле двух катушек в центре между катушками на их оси при d=R получим из (11.11) при Экспериментальная установка и методика измерений - №3 - открытая онлайн библиотека :

Экспериментальная установка и методика измерений - №4 - открытая онлайн библиотека , (11.12)

где N – число витков каждой катушки. Поле направлено по оси катушек. Прибор устанавливают таким образом, чтобы ось катушки была перпендикулярна линиям индукции горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. В отсутствие тока в катушках магнитная стрелка устанавливается по направлению вектора ВЗем горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (рис.11.9). При включении тока к полю Земли добавляется поле катушки (11.12); в этом случае магнитная стрелка установится вдоль направления вектора индукции результирующего поля Экспериментальная установка и методика измерений - №5 - открытая онлайн библиотека , то есть стрелка повернётся на угол α (рис.11.8 и 11.9).

Экспериментальная установка и методика измерений - №6 - открытая онлайн библиотека
Экспериментальная установка и методика измерений - №7 - открытая онлайн библиотека
Экспериментальная установка и методика измерений - №8 - открытая онлайн библиотека
 
Экспериментальная установка и методика измерений - №9 - открытая онлайн библиотека Тогда

Экспериментальная установка и методика измерений - №10 - открытая онлайн библиотека . (11.13)

Из (11.12) и (11.13) получим:

Экспериментальная установка и методика измерений - №11 - открытая онлайн библиотека . (11.14)

Так как ВЗем., N и R – постоянные величины для данной установки, то

Экспериментальная установка и методика измерений - №12 - открытая онлайн библиотека , (11.14)

где

Экспериментальная установка и методика измерений - №13 - открытая онлайн библиотека . (11.15)

Смысл проверки закона Био-Савара-Лапласа заключается в получении линейных зависимостей tgα от силы тока I: tgα=f (I), определении константы С и далее по (11.15) – расчету ВЗем.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить установку к работе. Установить катушку тангенс-гальванометра таким образом, чтобы магнитная стрелка была установлена на делениях «900-2700», то есть параллельна плоскости катушек.

2. Переключателем 1 подключить число витков катушек, равное 5 (рис.11.10).