КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Магнитное поле Земли состоит из постоянного поля, которое создается магнетизмом самого земного шара, и переменного поля, которое создается токами, текущими над поверхностью Земли и в земной коре; переменное поле не превышает 1%от постоянного поля. Постоянное поле имеет различнуювеличину в разных точках Земли и подвержено медленным (вековым) изменениям.
Вектор индукции геомагнитного поля 
определяется тремя компонентами: горизонтальной составляющей 
, магнитным склонением (углом между горизонтальной составляющей и плоскостью магнитного меридиана) и магнитным наклонением (углом между вектором и горизонтальной плоскостью).
В первом приближении геомагнитное поле подобно полю диполя (или равномерно намагниченного шара)с магнитным моментом 
, направленным под углом 11.5° к оси вращения Земли.
Точки на земной поверхности, в которых вектор имеет вертикальное направление, называются магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс – точка, в которой силовые линии магнитного поля направлены вертикально вверх, и южный магнитный полюс – точка, в которой силовые линии направлены вертикально вниз. Северный магнитный полюс расположен в районе южного географического полюса в точке с координатами 70º10´ южной широты и 150º45´ восточной долготы; южный магнитный полюс расположен в районе северного географического полюса в точке с координатами 70º50´ северной широты и 96º западной долготы. Положение магнитных полюсов изменяется в течение времени.
Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли; окружность, проведенная в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором; вектор на магнитном экваторе направлен горизонтально и равен по модулю около 4×10 
Тл. Индукция магнитного поля у магнитных полюсов Земли имеет величину около 7×10 Тл. В некоторых районах наблюдается резкое увеличение индукции магнитного поля Земли (магнитные аномалии); например, в районе Курской магнитной аномалии Bз≈2,4×10 
Тл.
Величина горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли может быть измерена с помощью прибора, который называется тангенс-гальванометр.
Этот прибор представляет собой катушку радиуса R, с намотанными на ней N витками провода. В центре катушки, в горизонтальной плоскости, располагается магнитная стрелка. При отсутствии тока в катушке на магнитную стрелку воздействует только магнитное поле Земли. При этом магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Если по тангенс-гальванометру пропустить постоянный ток, то появляется магнитное поле тока, характеризуемое вектором магнитной индукции 
, который в центре катушки направлен перпендикулярно плоскости проволочных витков (рис. 1). В этом случае на магнитную стрелку одновременно действуют два магнитных поля, характеризуемые векторами , соответственно.
Если расположить прибор таким образом, чтобы вектора магнитной индукции тока и поля Земли были взаимно перпендикулярны, то магнитная стрелка под воздействием двух полей, отклоняясь, займет такое положение, при котором ее ось будет совпадать с равнодействующей ( 
)векторов и (рис. 1). Из прямоугольного треугольника имеем:
. (1)
Величина 
в центре кругового витка с током согласно закона Био-Савара-Лапласа равна:
, (2)
где µ0=4π×10 -7 Гн/м – магнитная постоянная.
Подставив(2) в (1), получим:
. (3).
Из формулы (3) можно получить выражение для тока I, где тангенс угла отклонения стрелки прямо пропорционален току, протекающего по катушке. Поэтому и прибор получил название тангенс-гальванометра.
Направление линий индукции устанавливается с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити так, чтобы точка подвеса совместилась с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к линии индукции магнитного поля Земли. В северных широтах северный конец такой стрелки расположен ниже точки подвеса, ось стрелки с горизонтом составляет угол наклоненияθ(на экваторе этот угол равен нулю).Вертикальная плоскость, проходящая через ось установившейся магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол α между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением.
Угол наклонения определяется с помощью прибора, называемого буссолью наклонения или инклинатором(рис. 2).
Главной частью инклинатора является магнитная стрелка наклонения C, которая может свободно вращаться около горизонтальной оси, перпендикулярной к плоскости вертикального круга D и проходящей через центр этого круга и центр тяжести стрелки.
Прежде чем приступить к измерению угла наклонения, инклинатор с помощью винтов К и уровня устанавливают так, чтобы плоскость круга Т была строго горизонтальной. С помощью горизонтальной буссоли устанавливают вертикальный круг (путем вращения вокруг вертикальной оси) по магнитному меридиану.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Для измерений компонент вектора применяются приборы, которые называются магнитометрами. В работе используется упрощенная модель электромагнитного магнитометра. Установка состоит из двух катушек Гельмгольца (катушка кругового сечения с намотанными на ней витками провода), которые расположены вертикально. Катушки Гельмгольца позволяют получить в центре этой системы однородное магнитное поле в достаточно большом пространстве. Используемые в работе катушки имеют следующие параметры: расстояние от плоскости катушки до центра симметрии установки R=117 мм, число витков N=40. Витки катушки устанавливаются параллельно магнитной стрелке с помощью визирной линии, которая представляет собой натянутую между стенками корпуса тонкую проволоку. В центре симметрии катушек Гельмгольца установлена магнитная буссоль, по лимбу которой можно измерять углы отклонения стрелки φ.
При включении тока магнитная стрелка отклоняется от плоскости магнитного меридиана под действием индукции магнитного поля катушек , которая перпендикулярна горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли (рис. 1). Для определения 
используется соотношение:
. (4)
ЗАДАНИЕ. 1.Определить величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Измерение провести для 4-х различных значений токов, проходящих через катушки.
2. Результаты вычислений 
усреднить.
Цель работы: определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли при помощи тангенс-буссоли.
Приборы и оборудование: тангенс-буссоль, миллиамперметр, резистор, источник питания, коммутатор.
Подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся электрические заряды. Характер влияния магнитного поля на электрический ток зависит от формы проводника, его расположения и направления тока.
При исследовании магнитного поля используются магнитная стрелка или замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до проводника с током, образующего магнитное поле. Ориентация контура характеризуется направлением нормали к нему. В качестве положительного принимается направление, связанное с правилом правого винта, т.е. направление поступательного движения винта, головка которого вращается в направлении тока, идущего по рамке (рис. 1а). За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная к рамке нормаль.
Рамка с током в магнитном поле испытывает ориентирующее влияние поля, т.к. на нее действует пара сил (Рис. 1б). Вращающий момент сил определяется векторным произведением 
, где d – плечо силы.
Силовой характеристикой поля служит индукция магнитного поля, Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется отношением максимального вращающего момента, действующего на рамку с током к величине магнитного момента этой рамки.
(1)
– вектор магнитного момента рамки с током; Для плоского контура с током
где I – сила тока; S – площадь контура; 
– единичный вектор нормали к поверхности рамки. За единицу магнитной индукции принята индукция такого поля, в котором на контур площадью 1м 2 при силе тока 1А со стороны поля действует максимальный момент сил 1 Н∙м. Эта единица – тесла (Тл):
Линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора 
, называют силовыми линиями магнитной индукции. Величина магнитной индукции прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекающих единицу площади. Их направление определяется правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого в направлении тока, вращается в направлении линий магнитной индукции (рис. 2).
Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рис. 3.
Эти линии всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.
Магнитное поле постоянных токов изучалось Био и Саваром; окончательная формулировка найденного ими закона принадлежит Лапласу. Поэтому этот закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.
Закон Био-Савара-Лапласа для проводника с током I, элемент 
которого создает в некоторой точке А (рис. 4) индукцию поля dB записываются в виде:
, (2)
где 
– магнитная постоянная 
; 
– магнитная проницаемость среды; 
– вектор, по модулю равный длине 
элемента проводника и совпадающий по направлению с током; 
– радиус-вектор, проведенный из элемента проводника в некоторую точку А поля. Направление 
перпендикулярно плоскости, натянутой на и 
.
Модуль вектора В определяется выражением
(3)
где 
– угол между вектором 
и радиус-вектором .
Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности.
Согласно принципу суперпозиции
(4)
Если распределение тока симметрично, то применение закона Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать индукцию магнитного поля.
Так, магнитная индукция в центре кругового проводника с током равна
,
где R – радиус кривизны проводника.
Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, –
,
где r – расстояние от оси проводника до точки.
Согласно предположению Ампера в любом теле существуют микроскопические токи (микротоки), обусловленные движением электронов в атомах. Они создают свое магнитное поле и ориентируются в магнитных полях макротоков. Макроток – это ток в проводнике под действием ЭДС или разности потенциалов. Вектор магнитной индукции 
характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Магнитное поле макротоков описывается также и вектором напряженности 
. В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности соотношением
(5)
где μ0 – магнитная постоянная; μ- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается или ослабляется за счет микротоков среды. Иначе говоря, μ показывает, во сколько раз вектор индукции магнитного поля в среде больше или меньше, чем в вакууме.
Единица напряженности магнитного поля – А/м. 1А/м – напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 
Тл. Земля представляет собой огромный шарообразный магнит. Действие магнитного поля Земли обнаруживается на ее поверхности и в окружающем пространстве.
Магнитным полюсом Земли называют ту точку на ее поверхности, в которой свободно подвешенная магнитная стрелка располагается вертикально. Положения магнитных полюсов подвержены постоянным изменениям, что обусловлено внутренним строением нашей планеты. Поэтому магнитные полюса не совпадают с географическими. Южный полюс магнитного поля Земли расположен у северных берегов Америки, а Северный полюс – в Антарктиде. Схема силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 5 (пунктиром обозначена ось вращения Земли): 
–горизонтальная составляющая индукции магнитного поля; Nr, Sr – географические полюсы Земли; N, S – магнитные полюсы Земли.
Направление силовых линий магнитного поля Земли определяется с помощью магнитной стрелки. Если свободно подвесить магнитную стрелку, то она установится по направлению касательной к силовой линии. Так как магнитные полюсы находятся внутри Земли,магнитная стрелка устанавливается не горизонтально, а под некоторым углом α к плоскости горизонта. Этот угол α называют магнитным наклонением. С приближением к магнитному полюсу угол α увеличивается. Вертикальная плоскость, в которой расположена стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана, а угол 
между магнитным и географическим меридианами – магнитным склонением. Силовой характеристикой магнитного поля, как уже отмечалось, является магнитная индукция В. Ее значение невелико и изменяется от 0,42∙10 -4 Тл на экваторе до 0,7∙10 -4 Тл у магнитных полюсов.
Вектор индукции магнитного поля Земли можно разделить на две составляющие: горизонтальную 
и вертикальную 
(рис. 5). Укрепленная на вертикальной оси магнитная стрелка устанавливается в направлении горизонтальной составляющей Земли . Магнитное склонение , наклонение α и горизонтальная составляющая магнитного поля являются основными параметрами магнитного поля Земли.
Значение определяют магнитометрическим методом, который основан на взаимодействии магнитного поля катушки с магнитной стрелкой. Прибор, называемый тангенс-буссолью, представляет собой небольшую буссоль (компас с лимбом, разделенным на градусы), укрепленную внутри катушки 1 из нескольких витков изолированной проволоки.
Катушка расположена в вертикальной плоскости. Она создает добавочное магнитное поле 
к (диаметр катушки и число витков указываются на приборе).
В центре катушки помещается магнитная стрелка 2. Она должна быть небольшой, чтобы можно было принимать индукцию, действующую на ее полюсы, равной индукции в центре кругового тока. Плоскость контура катушки устанавливается так, чтобы она совпадала с направлением стрелки и была перпендикулярна горизонтальной составляющей земного поля 
r. Под действием r индукции поля Земли и индукции поля катушки стрелка устанавливается по направлению равнодействующей индукции 
р (рис. 6 а, б).
Из рис. 6 видно, что
(6)
Индукция магнитного поля катушки в центре –
7)
где N – число витков катушки; I – ток, идущий по ней; R – радиус катушки. Из (6) и (7) следует, что
(8)
Важно понять, что формула (8) является приближенной, т.е. она верна только в том случае, когда размер магнитной стрелки намного меньше радиуса контура R. Минимальная ошибка при измерении фиксируется при угле отклонения стрелки ≈45°. Соответственно этому и подбирается сила тока в катушке тангенс-буссоли.
Порядок выполнения работы
1.Установить катушку тангенс-буссоли так, чтобы ее плоскость совпала с на
правлением магнитной стрелки.
2. Собрать цепь по схеме (рис. 7).
3. Включить ток и измерить углы отклонения у концов стрелки 
и 
. Данные занести в таблицу. Затем с помощью переключателя П изменить направление тока на противоположное, не меняя величины силы тока, и измерить углы отклонения у обоих концов стрелки 
и 
вновь. Данные занести в таблицу. Таким образом, устраняется ошибка определения угла, связанная с несовпадением плоскости катушки тангенс-буссоли с плоскостью магнитного меридиана. Вычислить
Результаты измерений I и 
занести в таблицу 1.
| № | I, A |  |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
4. Опыт повторить для 5-ти различных значений тока, но при условии, чтобы
углы были не меньше 25° и не больше 45°. Ток в цепи изменять резистором R.
5. По формуле (8) вычислить Вr – значение горизонтальной составляющей земного поля в системе СИ (для каждого значения силы тока).
6. Вычислить Вср. по формуле
где n – число измерений.
7. Найти доверительную границу общей погрешности по формуле
,
Где 
– коэффициент Стьюдента (при =0,95 и n=5 
=2,8).
8. Результаты записать в виде выражения
.
1.Что называется индукцией магнитного поля? Какова единица ее измерения?
Как определяется направление вектора магнитной индукции?
2. Что называется напряженностью магнитного поля? Какова ее связь с магнитной индукцией?
3. Сформулировать закон Био-Савара-Лапласа, вычислить на его основе индукцию магнитного поля в центре кругового тока, индукцию поля прямого
тока и соленоида.
4. Как определяется направление индукции магнитного поля прямого и кругового токов?
5. В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей?
6. Какое поле называют вихревым?
7. Сформулируйте закон Ампера.
8. Расскажите об основных параметрах магнитного поля Земли.
9. Каким образом можно определить направление силовых линий магнитного
поля Земли?
10.Почему измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного по
ля выгоднее проводить при угле отклонения стрелки в 45°?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
Дата добавления: 2015-09-20 ; просмотров: 2864 | Нарушение авторских прав
В книжной версии
Том 10. Москва, 2008, стр. 438-440
Скопировать библиографическую ссылку:
ЗЕМНО́Й МАГНЕТИ́ЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космич. пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи , полярные сияния , токи в ионосфере и магнитосфере Земли).