3650 ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Цель работы: исследование параметров магнитного поля Земли; ознакомление

с магнитометрическим методом измерения индукции

магнитного поля.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, источник постоянного

напряжения, переключатель, миллиамперметр.

 

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТА

 

Магнитное поле Земли подобно полю однородно намагниченного шара. Координаты магнитных полюсов: северного (в Южном полушарии) - 78° ю.ш. и 111° в.д. и южного (в Северном полушарии) - 78° с.ш. и 69° з.д. Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Структура силовых линий магнитного поля Земли показана на рис. 1 (NS – ось вращения Земли).

Магнитный полюс и ось со временем изменяют свои положения. Линии магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через Южное полушарие и, обогнув Землю, возвращаются к ее центру через Северное полушарие. Компоненты магнитного поля Земли на поверхности планеты меняются в следующих пределах: полный вектор индукции магнитного поля  - от +62 до –73 мкТл, горизонтальная составляющая  - от 0 до 41 мкТл.

Магнитное поле Земли претерпевает вековые вариации (в настоящее время поле уменьшается примерно на 1 % каждые 10 лет).

В действительности поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара, - добавляются поля неоднородных материковых плит, магнитные аномалии верхней части земной коры (в районе Курской магнитной аномалии индукция поля достигает 200 мкТл), внеземные магнитные поля. На постоянное магнитное поле накладываются также более

 

Рис. 1

 

слабые (< 0,02 ) переменные поля различной природы. Разработанной количественной теории геомагнитного поля в настоящее время не существует. Предполагается, что главным источником поля являются вихревые токи в жидком ядре Земли. Направление силовых линий магнитного поля Земли может быть установлено с помощью магнитной стрелки. Если стрелку подвесить на нити так, чтобы точка подвеса и центр ее тяжести совпадали, то она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли (рис. 2, а). Угол между направлением вектора индукции в данной точке и горизонтальной плоскостью называется  магнитным наклонением.

Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол  (рис. 2, б) между магнитным и географическими меридианами называется  магнитным склонением.

Значения  и  для данного места с течением времени медленно изменяются. Вектор индукции магнитного поля Земли в любой точке пространства можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную  (рис. 2, а).

Укрепленная на вертикальной оси стрелка всегда устанавливается в

а)                                                                   б)

Рис. 2

направлении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

Магнитные наклонение , склонение  и горизонтальная составляющая магнитного поля  являются основными параметрами магнитного поля Земли (основные элементы земного магнетизма).

Горизонтальную составляющую поля Земли можно измерить с помощью прибора, который называется тангенс-гальванометром (рис. 3). Он состоит из катушки (несколько круговых проводников, по которым течет ток), расположенной вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре катушки помещается магнитная стрелка, которая должна иметь размеры меньше, чем диаметр катушки. В этом случае можно считать, что она находится в однородном магнитном поле.

Плоскость катушки устанавливается перпендикулярно к горизонтальной плоскости так, чтобы она совпала с направлением магнитной стрелки. Электрический ток, протекающий по виткам катушки, создает в ее центре магнитное поле, индукция которого , направленная перпендикулярно к горизонтальной составляющей  поля Земли (рис. 3).

В результате действия сил со стороны двух магнитных полей – поля катушки и магнитного поля Земли стрелка установится по направлению их результирующей . Из рис. 3 видно, что

.                                                       (1)

Из равенства (1) получим

.                                                      (2)

 

 

Рис. 3

 

Значение индукции магнитного поля катушки можно найти на основании закона Био-Савара-Лапласа:

.                                               (3)

 

Как следует из рис. 4, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления – вдоль нормали витка. Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей.

Если элементы проводника  перпендикулярны к радиусу  и расстояния от всех элементов проводника до центра кругового тока одинаковы и равны , то согласно (3)

.                                    (4) Тогда

.                        (5)              Рис. 4

Следовательно, индукция магнитного поля в центре кругового проводника с током

.                                                        (6)

Катушка, состоящая из нескольких витков (круговых токов), создает в центре магнитное поле, индукция которого будет равна:

,                                                   (7) где I – сила тока в витках катушки; N – число витков в катушке; R – радиус катушки;  - магнитная постоянная ( Гн/м).

Из уравнений (2) и (7) следует, что горизонтальная составляющая магнитного поля Земли может быть найдена из равенства:

.