Магнитное поле Земли. Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли (Лабораторная работа № 9)

Лабораторная работа 9

Магнитное поле Земли

Цель работы: определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.

Задание 1. Определить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, миллиамперметр, реостат, переключатель, источник постоянного тока.

Теория метода

Элементы земного магнетизма.

Земля представляет собой гигантский магнит. В пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, в котором сосредоточена колоссальная магнитная энергия. Такой энергией обладает магнитное поле проволочного кольца с радиусом, равным радиусу Земли, если по кольцу пропустить ток     силой 660 млн. ампер.

Магнитные полюса Земли (северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса и, наоборот) со временем изменяют свое положение. Так, в 1600 г. магнитный полюс в северном полушарии находился на расстоянии около 1 300 км от географического полюса, а теперь его удаленность составляет примерно 2 110 км.

Происхождение магнитного поля Земли до настоящего времени не выяснено. Все гипотезы оказались неудовлетворительными.

Магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется вектором напряженности , величина и направление которого определяются тремя элементами земного магнетизма: горизонтальной составляющей , магнитным склонением  (угол между горизонтальной составляющей и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением  (угол между вектором  и плоскостью горизонта).

Вектор напряженности магнитного поля Земли только на экваторе направлен горизонтально, а у магнитных полюсов – вертикально, в других же   местах под некоторым углом к горизонтальной плоскости. Таким образом,   магнитная стрелка расположится в поле Земли под углом к горизонтальной плоскости.

Напомним, что магнитная стрелка ориентируется северным полюсом в направлении напряженности поля , как показано на рис. 1.

Рис. 1. Магнитная стрелка: S – Южный полюс стрелки;

N – Северный полюс стрелки; SN – ось магнитной стрелки

Вектор напряженности поля  в каком-либо месте Земли можно разложить на две составляющие: одна из них  параллельна, а другая  перпендикулярна горизонтальной плоскости.

На магнитную стрелку, насаженную на вертикальную ось (например, на стрелку компаса), действует только одна составляющая  поля Земли. Вертикальная же составляющая  компенсируется силой реакции оси на стрелку.

Работа выполняется на установке, которая носит название тангенс-гальванометра.

Тангенс-гальванометр.

Тангенс-гальванометр представляет собой катушку А, состоящую из плотно намотанных проволочных витков, плоскости которых расположены вертикально (рис. 2).

К

М

А

Рис. 2. Тангенс-гальванометр

В центре катушки помещена магнитная стрелка М, которая может вращаться относительно вертикальной оси (компас). Сама катушка установлена на подставке, снабженной двумя клеммами К. На горизонтальной подставке (под магнитной стрелкой) нанесена 360-градусная шкала.

На магнитную стрелку тангенс-гальванометра, как это было указано выше, действует только горизонтальная составляющая  поля Земли. Под влиянием этой составляющей стрелка ориентируется вдоль магнитного меридиана и указывает север и юг. При пропускании тока через катушку создается магнитное поле , направленное, как известно, перпендикулярно к плоскости витков катушки. Таким образом, на стрелку действует два поля: горизонтальная составляющая  поля Земли и магнитное поле катушки . Стрелка устанавливается по направлению равнодействующей этих полей, т. е. по диагонали параллелограмма, сторонами которого будут  и  (рис. 3).

Направление магнитного меридиана

Рис. 3. Составляющие магнитного поля Земли

Рассчитать горизонтальную составляющую  как сторону параллелограмма трудно, поэтому до пропускания тока через катушку путем поворота подставки тангенс-гальванометра добиваются того, чтобы ось магнитной стрелки NS лежала строго в плоскости витков катушки. В этом случае поля  и будут взаимно перпендикулярны (рис. 3) и

,                                                     (1)

где  – угол между результирующим вектором  и горизонтальной составляющей (угол можно измерить).