Материал: e15a

УДК 53.01

Общая физика.

«Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли из затухающих колебаний магнитной стрелки» по разделу «Электричество и электромагнетизм» курса для студентов всех специальностей. Методические указания к выполнению лабораторной работы Э-15а по курсу, раздел «Электричество и электромагнетизм» для студентов всех специальностей.

Томск, изд. ТПУ 2007. – 9 с.

Составитель: С.Н. Гриняев

Рецензент: Н.С. Кравченко

Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики.

Зав. кафедрой В.Ф. Пичугин

«___»___________2007 г.

2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли из затухающих колебаний магнитной стрелки, расположенной внутри соленоида.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: соленоид, магнитная стрелка, блок питания,

миллиамперметр, постоянный магнит, секундомер.

ВВЕДЕНИЕ

Земля представляет собой огромный шаровой магнит, магнитное поле которого обнаруживается в окружающем Землю пространстве и на ее поверхности. Силовые линии магнитного поля Земли изображены на рис. 1. Они имеют тороидальную форму (т.е. форму бублика), выходят из Северного магнитного полюса и заканчиваются на Южном магнитном полюсе. На расстояниях от поверхности Земли < 6500 км геомагнитное поле подобно полю магнитного диполя, полюсы которого несколько не совпадают с географическими полюсами Земли. В настоящее время ось этого диполя образует с осью вращения Земли угол 11.5°, северный магнитный полюс N находится около южного географического полюса SГ в точке с угловыми координатами 68° южной широты и 140° восточной долготы, а южный магнитный полюс S - вблизи северного географического полюса NГ в арктическом архипелаге Канады с координатами 75° северной широты и 259° восточной долготы.

Существование у Земли магнитного поля в основном связано со свойствами ее ядра. Внутренне строение Земли установлено с помощью сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и искусственных взрывах. До глубины 2900 км вещество Земли твердое (земная кора и мантия). Ниже вплоть до уровня 5120 км расположено внешнее ядро, обладающее свойствами жидкости с высокой электрической проводимостью и сходным по плотности с железом или железо-никелевым сплавом. Начиная с глубины 5120 км и до центра Земли (6371 км) находится внутреннее ядро, состоящее из твердых веществ.

Sвнешнем ядре, а последнее - к увеличению магнитного

Гполя и т.д.

самовозбуждающейся динамо машине. Он длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

3

Вектор напряженности магнитного поля Земли НЗ можно разложить на горизонтальную НГ и вертикальную НВ составляющие. Угол между НГ и НЗ называется

магнитным наклонением.

Если магнитную стрелку расположить на горизонтальной оси, то стрелка повернется вокруг нее и установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли, то есть вдоль вектора магнитной индукции в данной точке пространства. В результате, стрелка отклонится от горизонтальной плоскости, причем в северном полушарии в сторону Земли отклонится ее северный полюс, в южном полушарии - южный полюс. Угол наклона стрелки к плоскости горизонта увеличивается при переходе от экватора к полюсам. Магнитное поле Земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов – вертикально.

Плоскость, проходящая через магнитную силовую линию и магнитные полюса, называется плоскостью магнитного меридиана. Линия пересечения этой плоскостью поверхности Земли называется магнитным меридианом. Магнитный меридиан не совпадает с географическим меридианом, угол между ними называется магнитным склонением. Существуют карты линий равных величин магнитных склонений (изогоны). За счет разной угловой скорости вращения ядра и мантии Земли изогоны, медленно, со скоростью 22 км в год (0,2% в год), смещаются в западном направлении (западный дрейф).

Наблюдения показывают, что магнитные полюса Земли не остаются на месте, а перемещаются – прецессируют по сложной траектории вокруг географических полюсов. При этом напряженность магнитного поля Земли испытывает периодические колебания: а) суточные; б) годовые; в) вековые.

Изучение остаточной намагниченности древних пород показало, что имеются и более длительные периоды колебания напряженности геомагнитного поля. Так существует цикл в 8000 лет, за время которого напряженность поля меняется 2 – 3 раза. Но наиболее интересными и важными по последствиям являются периоды инверсии ~ 10 млн. лет. Через это время происходит смена полюсов – северный полюс становится южным, и наоборот. Последнее такое изменение произошло около 700 тысяч лет назад.

Объяснение этому явлению дает модель двухдискового динамо, согласно которой ток и магнитное поле колеблются сначала около некоторого одного стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания вокруг другого стационарного состояния. Таким образом, моделируется возможность инверсии магнитного поля.

На расстояниях, больших 6500 км от поверхности Земли, на геомагнитное поле заметное влияние оказывает Солнце, особенно в период своей активности. Под влиянием магнитного поля Солнца и солнечного ветра (т.е. потоков солнечной радиации) геомагнитное поле на стороне, обращенной к Солнцу, сжато, а

Рис. 2 на противоположной – ночной стороне – вытянуто в виде

4

узкого «горлышка». Поэтому область, в которой сосредоточено магнитное поле Земли похожа на бутылку или колбу, обращенную дном к Солнцу (рис.2). Она называется магнитосферой Земли. Расстояние от дна этой бутылки до Земли составляет около 80 тыс. км. В противоположном направлении геомагнитное поле простирается на миллионы км от Земли.

Напряженность геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к магнитному экватору от ~ 53 A/м до ~ 28 A/м, среднее значение НЗ у поверхности Земли составляет ~ 45 A/м, а на границе магнитосферы ~ 10-3 A/м.

Величина горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли НГ зависит от широты местности (ϕ), времени, магнитных аномалий. Например, в Иркутске (ϕ = 52°18′28″) в 1980 г. она составляла НГ =15.6 A/м, в Симферополе (ϕ = 44°57') НГ =17 A/м, в Новосибирске (ϕ = 55°05′) НГ =13.7 А/м.

Целью настоящей работы является определение значения НГ в Томске (ϕ = 56°30).'

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

В данной работе величина НГ находится из наблюдений за затухающими колебаниями магнитной стрелки, расположенной в центре длинного соленоида (рис. 3). Для этого ось обесточенного соленоида ориентируют вдоль направления магнитной стрелки, которая под действием магнитной индукции ВГ = µ0НГ устанавливается в положение магнитного меридиана. Затем с помощью постоянного магнита стрелку выводят из положения равновесия и магнит убирают. Стрелка начинает совершать свободные колебания в горизонтальной плоскости около направления магнитного меридиана с некоторым периодом Т0. Вследствие сопротивления воздуха и трения стрелки об опору ее колебания носят затухающий характер. После того как колебания полностью затухнут, эксперимент повторяют в условиях с включенным в цепь соленоидом. Теперь внутри соленоида на

стрелку будет действовать дополнительное магнитное поле с индукцией Вс = µ0nI = µ0Нс,

направленной вдоль оси соленоида. Здесь I - ток, текущий по виткам соленоида, Нс = nI -

напряженность магнитного поля соленоида, n - плотность витков соленоида, равная 103 м-1. Согласно принципу суперпозиции результирующее

параллельны друг другу, но их направления могут либо совпадать, либо быть противоположными друг другу, в зависимости от направления тока.

Рис. 3 r

При силе тока I, большей ~ 20 mA, направление результирующего поля Bp совпадает с направлением магнитного поля соленоида Bc . Поскольку возвращающая сила, действующая на стрелку в присутствии поля соленоида BГ изменилась, то период колебаний Т будет отличен от Т0. Если вектора BrГ и Bc направлены в одну сторону, то период Т будет

5