Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ И ПОЛНОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы. Экспериментально определить горизонтальную составную и полную напряженность магнитного поля Земли на данной широте.

1. Краткие сведения из теории

Магнитное поле - особенная форма материи, что вызывает взаимодействие подвижных электрических зарядов.

Как и электрическое поле, магнитное поле, материально имеет энергию и свойство инерции.

Магнитное поле существует вокруг проводников с током и постоянных магнитов, его легко выявить по силовому действию на подвижные электрические заряды, другие проводники с током и постоянные магниты.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукцииї . По определению, модуль магнитной индукции численно равняется силе, что действует на единичную длину проводника с единичным током, расположенного перпендикулярно линиям индукции:

, (7.1)

где B- магнитная индукция, Тл;

dl - элемент длины проводника, м;

dF - сила, что действует на элемент проводника длиной dl, Н;

I - сила тока, что протекает по проводнику, А.

В СИ единицей магнитной индукции являются тесла (Тл) - магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 Н на каждый метр длины прямолинейного проводника с током 1А, расположенного перпендикулярно направления поля. Из формулы (7.1) выплывает:

1Тл =11

Для графического изображения стационарного магнитного поля, что не изменяется со временем, пользуются методом линий магнитной индукции

Линиями магнитной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называются линии, проведенные в магнитном поле так, что вектор в каждой точке этой линии направленный по касательной к ней (рис.7.1).

Взаимную связь между направлением тока и направлением создаваемого им магнитного поля легко запомнить с помощью правила буравчика.

Если ввинчивать буравчик (правый винт) в направлении тока (густоте тока) в проводнике, то направление вращения его рукоятки покажет направление линий магнитной индукции.

В такой форме это правило особенно удобно для определения направления поля вокруг прямолинейных проводников. В случае колового проводника с током то же правило нужно применять к отдельным его участкам. Для колових проводников правило свердлика формулируется так:

Если ввинчивать свердлик в направлении поля (вдоль линии магнитной индукции), то направление вращения его рукоятки покажет направление тока (густоты тока).

Оба правила свердлика вполне равноценные, их можно одинаково применять к определению связи между направлением тока и направлением индукции магнитного поля при какой-нибудь форме проводников.

Чтобы определить магнитную индукцию в произвольной точке поля, созданную током, что течет по проводнику произвольной формы, пользуются:

- законом Био–Савара–Лапласа в СИ (для элемента dl):

-

(7.2)

- принципом суперпозиции магнитных полей, то есть принципом независимого действия (наложение полей):

для сплошного проводника с током ; (7.3)

для N проводников с током и индукцией (7.4)

или законом полного тока . (7.5)

Иногда вместо индукции магнитного поля пользуются вспомогательной характеристикой ‑ вектором напряженности магнитного поля . Связь между векторами и имеет вид формулы:

, (7.6)

где μ - относительная проницаемость среды;

μ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная стала.

Можно показать, используя формулы (7.2) -(7.4) и (7.6), что напряженность в центре N одинаковых круговых витков с током И, радиусом R имеет вид:

(7.7)

Из соотношения (7.7) видно, что напряженность магнитного поля не зависит от магнитных свойств среды.

Наличие магнитного поля Земли позволяет рассматривать земной шар, как своеобразный постоянный магнит. Силовые линии земного магнитного поля схематически изображены на рис. 7.2, где видно, что земное магнитное поле имеет такой вид, вроде бы земной шар представляет собой магнит, ось, которого направленная приблизительно из севера на юг. В северном полушарии магнитные силовые линии совпадают в точке, что лежит на 70⁰ северной широты и 95⁰ западной долготы. Эта точка называется южным магнитным полюсом Земли. В южном полушарии точка схождения силовых линий лежит на 72,5⁰ южной широты и 154⁰ восточной долготы; она называется северным магнитным полюсом Земли. Нужно заметить, что точки схождения силовых линий земного магнитного поля лежат не на самой поверхности Земли, а под ней. Магнитные полюса Земли, как мы видим, не совпадают с ее географическими полюсами. Магнитная ось Земли, то есть прямая, что проходит через оба магнитных полюса Земли, не проходит через ее центр и, таким образом, не является земным диаметром.

Потому что магнитные и географические полюса Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление на север - юг (N-S) приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным наклонением θ, его величина изменяется от места к месту на земном шаре.

Магнитное склонение называют западным или восточным, в зависимости от того, к мероприятию или к востоку от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки. Величина склонения изменяется от 0 до 180⁰. Восточное склонение отмечают знаком +, а западное знаком ‑.

Из черт. 7.2 видим, что силовые линии земного магнитного поля, вообще говоря, не параллельные поверхности Земли. Это означает, что напряженность магнитного поля земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а создает с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнитным наклоном и. Магнитный наклон изменяется в границах от -90 до +90⁰?. Точки, в которых магнитный наклон равняется 90⁰, и называются магнитными полюсами. Линия, что соединяет точки, в которых магнитный наклон равняется 0, называется магнитным экватором.

Ясное представление о направлении напряженности земного магнитного поля в данной точке можно получить, если установить магнитную стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться и вокруг вертикальной и вокруг горизонтальной оси. Это можно осуществить, например, с помощью так называемого карданова подвеса. Стрелка в этом случае устанавливается в направлении напряженности поля Земли.

Магнитное склонение и магнитный наклон (углы φ и θ) полностью определяют направление напряженности земного магнитного поля в данном месте. Остается определить численное значение этой величины. Пусть плоскость P на рис. 7.3 представляет собой плоскость магнитного меридиана данного места.

Напряженность земного магнитного поля в этой плоскости можем разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . Зная угол θ (наклон) и величину одной из составляющих, мы можем легко вычислить величину другого составного или самого вектора . На практике, удобнее всего измерять именно горизонтальную составляющую Hг земного магнитного поля. Поэтому чаще всего величину напряженности магнитного поля в том или другом месте Земли характеризуют величиной ее горизонтальной составляющей. По известной величине горизонтальной составляющей Hг из прямоугольного треугольника находим:

Hв=Hг· tgи; H=Hг/cosи. (7.8)

Значение вертикальной составляющей Hв зависит от широты местности, в которой находится рассмотренная точка, в частности, для широты Севастополя Hв=45 А/м. Что касается значения полной напряженности магнитного поля Земли, то для разных точек земной поверхности - она разная: на экваторе равняется 24 А/м, в средних широтах возле 32-40 А/м, а на полюсах достигает максимума - порядка 63 А/м.

Таким образом, три величины: отклонение, наклон и численное значение горизонтальной составляющей полностью характеризуют по величине и направлению магнитное поле Земли в данном месте. Эти три величины называют элементами земного магнитного поля.

Точное знание величин, которые характеризуют магнитное поле, для возможно большего числа пунктов на Земле имеет большое значение. Ясно, например, что для того, чтобы штурман корабля или самолета мог пользоваться магнитным компасом, он должен в каждой точке своего пути знать величину магнитного отклонения. Ведь компас ему показывает направление магнитного меридиану, а для определения курса корабля он должен знать направление географического меридиану. Отклонение дает ему ту поправку к показаниям компасу, которую необходимо внести, чтобы найти истинное направление север - юг. Поэтому с середины прошлого века во всех цивилизованных странах ведется систематическое изучение земного магнитного поля. Свыше 50 специальных магнитных обсерваторий, расположенных по всему земному шару, систематически, изо дня в день, ведут магнитные наблюдения.

Невзирая на все исследования, которые проводятся по изучении магнитного поля Земли, достоверной теории, объясняющей существование самого магнитного поля Земли, пока нет. Некоторые ученые считают, что магнитное поле Земли является следствием токов, которые протекают в жидкостном ведущем слое планеты. Эта гипотеза известна за названием «земного динамо».

Пока считается, что магнитное поле Земли состоит из постоянного поля, обусловленного электрическими токами, которые текут над земной поверхностью и в земной коре. Колебания поля бывают особенно большие во время полярных сияний и получили название магнитных бурь (которые продолжаются несколько часов).

Магнитное поле является разным в разных участках Земли и произвольно изменяется по времени (столетние изменения). Главным источником этих изменений являются процессы, которые протекают в глубинах земного шара. На основное магнитное поле налагаются магнитные аномалии (местности, где магнитные элементы изменяются очень резко и имеют какие-то значения, которые сильно отличаются от соответствующих значений в соседних местностях). Известные крупномасштабные аномалии: над территорией Сибири (здесь поле значительно превышает среднее), над Южной Америкой и Атлантикой (здесь поле аномально малое). Существуют также мелкомасштабные аномалии, к числу которых относятся Курская, Криворожская, Магнитогорска и др. Причиной магнитных аномалий в большинстве случаев является скопление магнитных масс в виде магнитной руды.

Дата добавления: 2015-11-04