Мета роботи. визначити горизонтальну складову індукції магнітного поля Землі.
Устаткування: тангенс-гальванометр, джерело струму, перемикач, амперметр.
Магнітне поле - це форма матерії, яка виявляє себе дією на магніти, на провідники зі струмом, на рухомі електричні заряди, на елементарні частинки, що володіють магнітним моментом. І навпаки, джерелом магнітного поля можуть бути постійні магніти, провідники з електричним струмом, рухомі заряди.
Силовий характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції В. За визначенням, індукція магнітного поля дорівнює відношенню крутного моменту сил, що діє на магнітну стрілку або рамку з струмом, до їх магнітного моменту:; або, відповідно до закону Ампера, як відношення максимальної сили, що діє на провідник, до сили струму і довжині провідника:.
Магнітне поле зображують за допомогою силових ліній. Це лінія, дотична до якої збігається з вектором індукції. Силові лінії завжди замкнені, що обумовлено тим, що в природі на відміну від електричних, магнітні заряди відсутні.
Теоретичний розрахунок індукції магнітного поля провідників будь-якої форми заснований на застосуванні принципу суперпозиції і закону Біо - Савара - Лапласа для елементу провідника довжиною dl. по якому тече струм силою J:
Тут m - відносна магнітна проникність середовища, - магнітна постійна, r - радіус-вектор, проведений з елемента dl провідника в точку спостереження, a - кут між елементом dl і радіус-вектором r (рис.1).
Напрямок вектора dB можна визначити правилом свердлика. Якщо вкручувати буравчик в напрямку струму в провіднику, то напрям руху кінця ручки свердлика в точці спостереження покаже напрям вектора індукції магнітного поля (рис. 1).
Визначимо, використовуючи закон Біо - Савара - Лапласа, індукцію магнітного поля в центрі витка радіуса R. зі струмом J (рис. 2). Виберемо елемент витка малої довжини dl. Вектор dl спрямований по дотичній до витка в напрямку струму, sin # 945; = 1. Вектор індукції елемента витка dВ, за правилом свердлика, спрямований по осі витка вгору. Так само будуть спрямовані вектори індукції інших елементів. Тобто індукція витка дорівнює сумі індукції елементів, тобто інтегралу:
Магнітне поле Землі, за однією з гіпотез, обумовлено електричними струмами при конвективному перебігу магми, яка набуває заряд внаслідок тертя. Силові лінії магнітного поля виходять з північного магнітного полюса, розташованого в Антарктиді, і входять в південний магнітний полюс в Арктиці. Поблизу поверхні Землі в північній півкулі силові лінії йдуть похило. Вектор індукції магнітного поля можна розкласти на дві складові: вертикальну і горизонтальну. Магнітна стрілка, яка може обертатися тільки в горизонтальній площині, встановлюється вздовж горизонтальної складової індукції поля, північним кінцем на Північ.
Одним з методів експериментального вимірювання індукції магнітного поля Землі є метод порівняння його з відомою індукцією магнітного поля котушки зі струмом. Котушка являє собою кілька витків дроту, в центрі яких розташований компас. Такий прилад називається тангенс-гальванометром (рис. 3). Якщо площину витків збігається з площиною магнітного меридіана Землі, то магнітна стрілка буде розташована в площині котушки. Якщо включити електричний струм в котушці, то з'явиться ще магнітне поле котушки. Індукція магнітного поля котушки вкотився перпендикулярна площині витків, отже, перпендикулярна горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі. Магнітна стрілка повернеться до напрямку результуючої індукції обох полів на деякий кут a. Тангенс кута повороту дорівнює відношенню катетів трикутника векторів:
Так як індукцію магнітного поля котушки можна розрахувати за формулою (3), помноживши її на число витків, то горизонтальну складову магнітного поля Землі можна визначити за формулою
У лабораторній установці котушка підключаються до джерела постійної напруги БП. Сила струму регулюється реостатом R і вимірюється амперметром. Напрямок струму змінюється ключем. У центрі котушки встановлений компас. Кут відхилення стрілки вимірюється за шкалою компаса.
1. Встановити котушку тангенс-гальванометра в площині магнітного меридіана, тобто площину витків повинна бути вертикальною і збігатися з напрямком на Північ. При цьому північний кінець стрілки компаса повинен показувати 0 про і 360 про за шкалою.
2. Порахувати число витків. Виміряти радіус витків. Результати записати в табл. 1.