Лабораторная работа № 3 Тема: Определение горизонтальной и вертикальной составляющих индукции магнитного поля Земли с помощью земного индуктора.

Лабораторная работа № 3

Тема: Определение горизонтальной и вертикальной составляющих индукции магнитного поля Земли с помощью земного индуктора.

Цель: определить горизонтальную и вертикальную составляющие индукции магнитного поля Земли.

Оборудование: земной индуктор, милливеберметр, баллистический гальванометр.

Теоретические сведения

В пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, линии индукции которого изображены на рис. 1. Северный магнитный полюс N находится вблизи южного географического полюса и наоборот, южный магнитный - у северного географического полюса.

В любой точке земной поверхности направление вектора магнитной индукции , который совпадает с направлением северного конца свободной магнитной стрелки, образует угол φ с линией горизонта (рис.1 б). Этот угол называют магнитным склонением. Вертикальную плоскость, в которой лежит вектор , а следовательно, и ось магнитной стрелки, называют плоскостью магнитного меридиана.

Вектор магнитной индукции поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную  (рис. 1 б). В рамках лаборатории магнитное поле Земли можно считать однородным.

Рис.1

В данной работе и  определяют с помощью земного индуктора. Это плоская проволочная катушка достаточно большого радиуса со значительным числом витков, которая может свободно вращаться вокруг оси, проходящей через один из ее диаметров (рис. 2).

При повороте земного индуктора в магнитном поле Земли меняется магнитный поток через поверхность, ограниченную его витками, и на зажимах индуктора возникает ЭДС индукции.

Рис. 2

Прибор, подключенный к зажимам (миливеберметр, или баллистический гальванометр), можно проградуировать так, чтобы он непосредственно показывал изменение магнитного потока, пронизывающего витки индуктора.

 Пусть ось индуктора ориентирована горизонтально в плоскости магнитного меридиана, плоскость витков тоже горизонтальная. При повороте индуктора на 180° его витки будут пересекать только вертикальную составляющую индукции магнитного поля Земли. Изменение магнитного потока, пронизывающего витки,

Ф_в = Ф_в – ( -Ф_в ) = 2В_вs ,  (1)

 где s - площадь, охваченная витками, s = , d - диаметр витка. Изменение магнитного потока Ф_в можно непосредственно регистрировать миливеберметром, который подключен к зажимам индуктора.

Тогда

В_в =    (2)

Аналогично можно определить горизонтальную составляющую, если ось индуктора - вертикальная, а исходное положение плоскости витков перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана:

В_{г =}     (3)

 Изменение магнитного потока Ф_в и Ф_г можно определить с помощью баллистического гальванометра, который подсоединяется вместо миливеберметра. При изменении магнитного потока через плоскость витков индуктора в нем индуцируется ЭДС, в результате чего через гальванометр проходит некоторое количество электричества q:

q =,      (4)

где R - сопротивление витков. При этом рамка гальванометра поворачивается на некоторый угол.

 По формуле (4) Ф = qR, но q = ,

где  - чувствительность гальванометра;

 - баллистическое отклонение (максимальное отклонение светового зайчика) при быстром повороте индуктора на 180°.

тогда

;      ,               (5)

где с - постоянная прибора (ее значение указано на рабочем месте).

Подставив значения с (5) в (2) и (3), получим:

     В_в =         (6)

В_г =                 (7)

 Тогда индукция магнитного поля Земли

В =       (8)

Таким образом, задача сводится к определению вертикальной и горизонтальной составляющих индукции магнитного поля Земли по формулам (6), (7) при подключении к индуктора гальванометра или (2), (3), если используется миливеберметр.

Порядок выполнения работы:

1. Подключить измерительный прибор к зажимам индуктора.

2. Установить ось вращения индуктора горизонтально в плоскости магнитного меридиана, а плоскость витков - перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана.

3. Быстро вернув витки индуктора на 180°,  определяют с помощью гальванометра баллистическое отклонение или веберметром - изменение магнитного потока.

4. Повторить измерения пять - десять раз, поворачивая каждый раз прибор в исходное положение. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1.

5. Установить ось вращения индуктора вертикально, а плоскость витков - перпендикулярно к плоскости магнитного меридиана. Повторить выполнение пунктов 3, 4, определив  или Ф_г. Результаты измерений занести в таблицу 2.

1. Измерить диаметр круга между серединами витков индуктора.

2. Определить,  _и , использовав формулы (2), (3), или (6), (6).

3. Пользуясь формулой (8), вычислить В.

4. Вычислить абсолютную и относительную погрешности результатов.

Таблица 2.

Контрольные вопросы.

1. Дать определение вектора индукции магнитного поля и магнитного потока. В каких единицах (в CИ) измеряется индукция магнитного поля и магнитного поток?

2. Разработать схему силовых линий магнитного поля Земли.

3. Сформулировать закон электромагнитной индукции.

Скачано с www.znanio.ru