ЛИПЕЦЬКА державний педагогічний університет
КАФЕДРА ТЕОРЕТІЧЕСКАЙ І ЗАГАЛЬНОЇ ФІЗИКИ
Курсова робота з фізики.
ВИЗНАЧЕННЯ горизонтальної складової магнітного поля Землі.
Виконав студент групи ФПО-3
Казанцев М.М.
Керівник доцент кафедри ТОФ
Грызов Ю.В.
ЛИПЕЦЬКА
2000.
I. магнітне поле.
Магнітне поле являє собою особливу форму матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між рухомими електрично
зарядженими частинками.
Основні властивості магнітного поля:
1. магнітне поле породжується електричним струмом (рухомими зарядами).
2. Магнітне поле виявляється по дії на електричний струм (рухомі заряди).
Відкрив магнітне поле в 1820 р. датський фізик х.к. Ерстед.
Магнітне поле має спрямований характер і має характеризуватися векторної величиною. Цю величину прийнято позначати буквою В .
Логічно було б за аналогією з напруженістю електричного поля Е назвати В напруженістю
магнітного поля. Однак з історичних причин основну силову характеристику магнітного поля назвали магнітною індукцією .
Назва ж "напруженість магнітного поля" виявилася присвоєної допоміжної характеристиці D електричного поля.
Магнітне поле, на відміну від електричного, не діє на покояться заряд. Сила виникає лише тоді, коли заряд рухається.
Отже, рухомі заряди (струми) змінюють властивості оточуючого їх простору - створюють в ньому магнітне поле. Це виявляється в тому, що на
рухаються в ньому заряди (струми) діють сили.
Досвід дає. Що для магнітного, як і для електричного, справедливий принцип
суперпозиції:
поле В , яке породжене кількома рухомими зарядами (струмами), так само векторної
сумі полів B I, що породжуються кожним зарядом (струмом) окремо:
.
II. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА магнітного поля Землі.
Земля в цілому являє собою величезний кульовий магніт. Людство почало використовувати магнітне поле Землі давно. Вже в
початку XII-XIII ст. набуває широкого поширення в мореплавстві компас. Проте в ті часи вважалося, що стрілку компаса орієнтує Полярна зірка
і її магнетизм. Припущення про існування магнітного поля Землі вперше висловив в 1600 р. англійський натураліст Гільберт.
У будь-якій точці простору, що оточує Землю, і на її поверхні виявляється
дію магнітних сил. Іншими словами, в просторі, що оточує Землю, створюється магнітне поле, силові лінії якого зображені на рис.1.
Магнітні та географічні полюси Землі не збігаються один з одним. Північний магнітний полюс N
лежить у південній півкулі, поблизу берегів Антарктиди, а південний магнітний полюс S
знаходиться в Північній півкулі, поблизу північного берега острова Вікторія (Канада). Обидва полюси безперервно переміщуються (дрейфують) на земній поверхні
зі швидкістю близько 5 за рік через змінності породжують магнітне поле процесів. Крім того, вісь магнітного поля не проходить через центр Землі, а
відстає від нього на 430 км. Магнітне поле Землі не симетрично. Завдяки тому, що вісь магнітного поля проходить за все під кутом в 11,5 градусів до осі обертання
планети, ми можемо користуватися компасом.
Основна частина магнітного поля Землі, за сучасними поглядами, має внутріземное походження. Магнітне поле Землі
створюється її ядром. Зовнішнє ядро Землі рідке і металеве. Метал - що проводить струм речовина, і якщо б існували в рідкому ядрі постійні
течії, то відповідний електричний струм створював би магнітне поле. Завдяки обертанню Землі, такі течії в ядрі існують, тому що Земля в
деякому наближенні є магнітним диполем, тобто своєрідним магнітом з двома полюсами: південним і північним.
Незначна частина магнітного поля (близько 1%) має позаземне походження.
Виникнення цієї частини приписують електричних струмів, поточним в провідних шарах іоносфери і поверхні Землі. Ця частина магнітного поля Землі схильна
слабкому зміни з часом, який називається віковий варіацією. Причини існування електричних струмів у віковій варіації невідомі.
В ідеальному і гіпотетичному припущенні, в якому Земля була б самотня в космічному просторі, силові лінії
магнітного поля планети розташовувалися таким же чином, як і силові лінії звичайного магніту зі шкільного підручника фізики, тобто у вигляді симетричних дуг,
простягаються від південного полюса до північного. Щільність ліній (напруженість магнітного поля) падала б з видаленням від планети. На ділі, магнітне поле
Землі знаходиться у взаємодії з магнітними полями Сонця, планет і потоків заряджених часток, що випускаються в достатку Сонцем. Якщо впливом самого Сонця
і тим більше планет через віддаленість можна знехтувати, то з потоками частинок, інакше - сонячним вітром, так не зробиш. Сонячний вітер є
потоки мчаться зі швидкістю близько 500 км/с частинок, що випускаються сонячною атмосферою. У моменти сонячних спалахів, а також в періоди освіти на
Сонце групи великих плям, різко зростає число вільних електронів, які бомбардують атмосферу Землі. Це призводить до обурення струмів поточних в
іоносфері Землі і, завдяки цьому, відбувається зміна магнітного поля Землі. Виникають магнітні бурі. Такі потоки породжують сильне магнітне поле,
яке і взаємодіє з полем Землі, сильно деформуючи його. Завдяки своєму магнітного поля, Земля утримує в так званих радіаційних поясах
захоплені частинки сонячного вітру, не дозволяючи їм проходити в атмосферу Землі і тим більше до поверхні. Частки сонячного вітру були б дуже шкідливі
для всього живого. При взаємодії згадуваних полів утворюється межа, по один бік якої знаходиться обурене (зазнало змін через
зовнішніх впливів) магнітне поле часток сонячного вітру, по інший - обурене поле Землі. Цю кордон варто розглядати як межа навколоземного
простору, кордон магнітосфери і атмосфери. Поза цією кордону переважає вплив зовнішніх магнітних полів. У напрямку до Сонця магнітосфера Землі
сплюснута під натиском сонячного вітру і простягається всього до 10 радіусів планети. У протилежному напрямку має місце витягнутість до 1000 радіусів
Землі.
Основна частина магнітного поля Землі виявляє аномалії в різних районах земної поверхні. Ці аномалії, мабуть,
слід приписати присутності в земній корі феромагнітних мас або відмінності магнітних властивостей гірських порід. Тому вивчення магнітних аномалій має
практичне значення при дослідженні корисних копалин.
Існування магнітного поля в будь-якій точці Землі можна встановити за допомогою магнітної стрілки. Якщо підвісити магнітну стрілку NS
на нитки l (рис.2) так, щоб точка підвісу співпадала з центром ваги стрілки, то стрілка встановиться у напрямку дотичної до
силової лінії магнітного поля Землі.
У північній півкулі - південний кінець буде нахилений до Землі і стрілка складе з
горизонтом кут нахилу Q (на магнітному екваторі нахил Q дорівнює нулю). Вертикальна площина, в якій
розташується стрілка, називається площиною магнітного меридіана. Всі площини магнітних меридіанів перетинаються по прямій NS , а сліди
магнітних меридіанів на земній поверхні сходяться в магнітних полюсах N і S . Так як магнітні полюси не збігаються з
географічними полюсами, то стрілка буде відхилена від географічного меридіана. Кут, який утворює вертикальна площина, що проходить через
стрілку (тобто магнітний меридіан), з географічним меридіаном, називається магнітним відміною a (мал. 2). Вектор 
полів напруженості магнітного поля Землі можна розкласти на дві складові : горизонтальну 
і вертикальну 
(рис. 3). Значення
кутів нахилу і відміни, а також горизонтальної складової 
дають можливість визначити величину і напрямок повною напруженості магнітного поля Землі в
даного пункту. Якщо магнітна стрілка може вільно обертатися лише навколо вертикальної осі, то вона буде встановлюватися під дією горизонтальної
складової магнітного поля Землі у площині магнітного меридіана. Горизонтальна складова 
, магнітне відхилення a і нахил Q
називаються елементами земного магнетизму. Всі елементи земного магнетизму змінюються з часом.
II. ТАНГЕНС - гальванометра.
Розглянемо кругової провідник з n витків, прилеглих досить щільно
один до одного, розташованих вертикально в площині магнітного меридіана. У центрі провідника помістимо магнітну стрілку, що обертається навколо вертикальної
осі. Якщо по котушці пропустити струм I , то виникає магнітне поле з напруженістю H , спрямоване перпендикулярно
до площини котушки. Т.ч., на стрілку будуть діяти два взаємно перпендикулярних поля: магнітне поле Землі та магнітне поле струму.
Напруженості обох полів взаємно перпендикулярні. На рис. 4. зображено переріз котушки горизонтальною площиною. Тут 
- вектор напруженості поля, створеного круговим струмом, < img src = "http://localhost/uploads/posts/2009-10/1255858257_Opredelenie_gorizontal_noiy_sostavlyayusheiy_magnitnogo_polya_zemli_9.gif" alt = "" width = "43" height = "43" /> - горизонтальна складова магнітного поля Землі. Стрілка встановиться за напрямом
рівнодіюча 
, тобто по діагоналі паралелограма, сторонами якого
будуть вектор напруженості магнітного поля кругового струму 
і 
. Розглядаючи рис.4 отримаємо:
;
з іншого боку. Напруженість магнітного поля в центрі котушки тангенс-гальванометра дорівнює:
;
де r - радіус витка. Тоді:
звідки:
; де 
.
Для даного місця Землі і для даного приладу величина
(
I)
є постійною тангенс - гальванометра, тоді: _
(2).
Формулу (1) можна переписати у вигляді
(3).
Таким чином, круговий провідник з магнітною стрілкою може бути використаний для вимірювання
сили струму, поточного по ланцюгу. Прилад, заснований на принципі наведеного вище, носить назву тангенс-гальванометра.
Тангенс-гальванометр, який використовується в даній роботі, складається з котушки, у центрі якої на
вертикальної осі розташовується магнітна стрілка. Стрілка може вільно обертатися всередині круглої коробки з прозорою кришкою (компас). За контору дна
коробки намічена кругова шкала, проградуірованная в кутових градусах.
ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА.
I. 
Зібрати
електричний ланцюг лабораторної установки за схемою. Джерелом напруги служить випрямляч НД-24 М.С. З допомогою перемикача
К змінюють напрямок струму, поточного через тангенс-гальванометр tgq .
II. Встановити tgq так, щоб площина витків котушки збігалася з площиною
магнітного меридіана, тобто щоб магнітна стрілка розташувалася в площині витків котушки, вказуючи при цьому на С і Ю .
III. Регулятор напруги R на панелі випрямляча вивести в крайнє ліве положення. Включити випрямляч і поставити
перемикач К у ліве або праве положення. Регулятором напруги R встановити струм в ланцюзі I = 0,5 A . зафіксувати кут відхилення
магнітної стрілки. Перекинути ключ К у протилежне положення і також зафіксувати кут відхилення стрілки. Це необхідно для площині
знаходження середньоарифметичного значення кута відхилення магнітної стрілки, тому що завжди є неточність у встановленні витків tgq у площині магнітного меридіана.
IV. Виконати пункт 3 при значеннях струму I = 1 A і
1,5 A .
V. Результати вимірювань занести до таблиці:
#
I
j1
j2
jср.
tgj
H0
H0ср
D Hо
D H0ср
1.
2.
3.
Таблиця
1.
При кожному значенні струму визначити горизонтальну складову магнітного поля Землі по
формулою:
(
4);
тому в системі СІ коефіцієнт пропорційності К у формулі (2) рівний 
.
VI. Знайти середнє арифметичне значення 
.
VII. Обчислити похибка обчислення 
при кожному значенні
струму:
(5),
і потім середнє значення 
.
VIII. записати остаточно результат роботи у вигляді:
(6).
Контрольні питання.
1. Основні характеристики магнітного поля.
2. Закон Біо-Саварен-Лапласа.
3. Магнітне поле кругового струму.
4. Магнітне поле Землі: причини існування, магнітне нахил, горизонтальна складова поля, вертикальна складова поля.
Література.
Калашников С.Г. "Електрика".
Савельєв І.В. "Курс
загальної фізики ", т.2.
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс фізики. М.: Вища школа, 1989.
Гл.22.
Євграфова Н.Н., Каган В.Л. Керівництво до лабораторних
робіт з фізики. М.: Вища школа, 1970. С.177.
Кортнєв А.В., Рубльов Ю.В., Куценко О.М. Практикум з
фізики. М.: Вища школа, 1965. с.331.
