Лабораторная работа №3 определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли

Цель эксперимента: определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Оборудование:

• тангенс-гальванометр

• источник постоянного тока

• мультиметр

Основные понятия

Для определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли используют прибор, называемый тангенс-гальванометром. Прибор представляет собой катушку диаметром 0.21 м, содержащую 6 витков изолированного провода. В центре катушки на горизонтальной площадке расположена магнитная стрелка. Стрелка находится в корпусе, на котором имеется шкала для отсчета угла поворота. Корпус закреплен так, что линия 0-180° шкалы совпадает с плоскостью катушки тангенс-гальванометра.

При отсутствии тока в катушке магнитная стрелка устанавливается по направлению век­тора индукции магнитного поля Земли, точнее, в направлении его горизонтальной составляю­щей. Поворачивая прибор вокруг вертикальной оси, можно совместить плоскость катушки с направлением горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Если по ка­тушке пропустить ток, то он создаст свое магнитное поле. Вектор индукции этого поля в цен­тре катушки направлен по оси катушки, т. е. лежит в горизонтальной плоскости, а величина его B_k равна:

(1)

где I - сила тока в катушке, N - число витков, R - радиус катушки, D- диаметр катушки магнитная постоянная.

Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля в центре катушкиВ представляет собой векторную сумму поля катушки В_k и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В_Г(рисунок 1). Именно в направлении вектора В и ориен­тируется магнитная стрелка. Из рисунка 1 видно, что

(2)

где а - это угол между направлением магнитной стрелки и плоскостью катушки. Таким образом, зависимость тангенса уг­ла отклонения магнитной стрелки от индукции магнитного поля катушки является линейной. Угловой коэффициент А пря­мой, построенной в координатах (Вк, tga), определяется величиной горизонтальной состав­ляющей индукции магнитного поля Земли.

Рисунок 1 Суперпозиция

магнитного поля Земли и

магнитного поля катушки

При выполнении эксперимента Вам необходимо измерить угол отклонения магнитной стрелки при различных значениях тока в катушке тангенс-гальванометра, построить зависи­мость тангенса угла отклонения стрелки от индукции магнитного поля катушки и определить горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

Описание лабораторной установки

На рисунке 2 представлен внешний вид тангенс-гальванометра - прибора для измерения го­ризонтальной составляющей магнитного поля Земли. Для того чтобы не искажать измеряемое магнитное поле, штатив прибора изготовлен из немагнитных материалов. На основании шта­тива размещены два параллельно соединенных резистора, общее сопротивление которых равно 12 Ом, и имеются клеммы для подключения источника питания и мультиметра. Сопротивление 12 Ом служит для защиты источника питания от перегрузки и используется для определения силы тока в катушке тангенс-гальванометра.

Рисунок 2.

Тангенс-гальванометр

Проведение эксперимента и обработка результатов измерений

1. Данные об измерительных приборах внесите в таблицу 1.

таблица 1 Характеристики приборов измерения:

Прибор	Предел измерений	Цена деления	Погрешность прибора
тангенс-гальванометр
мультиметр

Рисунок 3 Схема лабораторной установки

1-тангенс-гальванометр, 2-мультиметр, 3-истчник питания

2. Соберите электрическую цепь, представленную на рисунке 3. Мультиметр включите в ре­жим измерения постоянного напряжения до 20V.

3. Вращая катушку тангенс-гальванометра вокруг верти­кальной оси, совместите северный полюс магнитной стрелки с нулевым делением шкалы компаса.

4. Включите источник питания, установите минимальный уровень выходного напряжения и плавно увеличивайте его до тех пор, пока стрелка компаса не начнет отклоняться. Если стрелка отклонилась в область углов 270° - 360°, измените полярность подключения источника питания. После успокоения колебаний магнитной стрелки, запишите в таблицу значение угла ее откло­нения. (Цена деления шкалы - 5°.)

5. Запишите в таблицу показания мультиметра и продолжите эксперимент, последовательно увеличивая выходное напряжение источника питания и внося показания мультиметра в таблицу. При проведении измерений сила тока в цепи не должна превы­шать 0,5 А, что соответствует напряжению 6В, измеряемому мультиметром. После достижения этого значения повторите измере­ния при постепенном уменьшении напряжения источника пита­ния.

6. Для обработки данных воспользуйтесь таблицей 3. Пер­вый столбец таблицы содержит значения падения напряжения на резисторе R. Во втором столбце таблицы записаны значения уг­лов отклонения магнитной стрелки. Сила протекающего через катушку тангенс-гальвонометра тока (I) рассчитывается в третьем столбце на основе закона Ома. В четвертый столбец таблицы впи­сываются вычисленные значения индукции магнитного поля, соз­даваемого катушкой тангенс-гальвонометра в месте расположе­ния магнитной стрелки. При этом используется формула (1). Пятый столбец таблицы предназначен для вычисле­ния тангенса угла отклонения магнитной стрелки.

7. Для определения величины горизонталь­ной составляющей индукции магнитного поля Земли необходимо построить график зависимости тангенса угла отклонения магнитной стрелки от индукции магнитного поля катушки. Для построе­ния зависимости отложите по оси ординат значе­ния тангенса угла отклонения магнитной стрелки, а по оси абсцисс - соответствующие им величины индукции магнитного поля катушки. Вы увидите, что полученная зависимость близка к линейной.

8. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли В_Г вычисляется как величина, обрат­ная угловому коэффициенту k прямой, построенной по экспериментальным данным на графике: Bг=1/k.

Таблица 3

№	U, B	а, град	IK=U/R,A	Вк,Тл	tga

Лабораторная работа №4