Файл: Лабораторная работа 1к определение скорости пули при помощи баллистического маятника содержание Введение.docx

можно разложить на две составляющие: параллельную и перпендикулярную вектору

Рис.5 :

,

Момент сил, создаваемых составляющей равен нулю, а момент сил, создаваемых составляющей , равен:

, (7)

так как .

Обобщая, можно сказать, что механический момент, действующий на рамку с током в магнитном поле, равен векторному произведению векторов и :

. (8)

Модуль вектора определяется формулой (7), а направление определяется по правилу определения направления векторного произведения (правилом правого винта, сформулированным выше, см. п.2).

Как уже отмечалось , свойства магнитной стрелки объясняются внутриатомными токами. Поэтому стрелку можно считать магнитным диполем. Механический момент, действующий на магнитную стрелку со стороны магнитного поля, можно определить по формуле (8).

5. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли имеет постоянную составляю­щую — основное поле (вклад его 99%) переменную ( 1%). Основное магнитное поле Земли по форме близко к полю диполя, центр которого смещён относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на 11,5°, так что геомагнитные. полюса отстоят от географических на 11,5°, причём в северном полушарии находится южный магнитный полюс (вектор магнитной индукции направлен вниз). Вектор магнитной индукции поля Земли, за исключением экваториальных областей, не параллелен поверхности Земли. Это значит, что его можно разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие.

Область околозем­ного пространства, физические свойства, размеры и форма которой определяются магнитным по­лем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц от Солнца

---

(солнечным ветром) называется магнитосферой. Магнитосфера несферична, она сильно вытянута в сторону, противополож­ную направлению на Солнце. С днев­ной стороны поток плазмы солнечного ветра сжимает геомагнитное поле (искажая его дипольный харак­тер), на ночной стороне силовые линии магнитного по­ля вытягиваются в про­тяжённый магнитный хвост ( см. рис.6).



Рис.6
Основное магнитное поле Земли испытывает лишь медленные из­менения во времени (так называемые вековые вариации, ) с периодом от 10 до 10⁴ лет, причём имеется чётко выраженный их полосовой характер 10—20, 60—100, 600—1200 и 8000 лет. Главный период - около 8000 лет – характеризуется изменением дипольного мо­мента Земли в 1,5—2 раза.
Изучение намагничен­ности осадочных горных пород по­казало, что магнитное поле Земли существовало, по крайней мере, 2,5 млрд. лет тому назад (возраст Земли около 4,6 млрд. лет) и имело величину, близкую к современной. Сред­нее за 10⁴-10⁵ лет положение геомагнитных полюсов сов­падает с географическими. Характеристики геомагнитного поля сохраняются неизменными в течение 10⁵-10⁷ лет, потом магнитное поле Земли неожиданно уменьшается в 3—10 раз, и в этот относительно короткий (10³—10⁴ лет) переходный период может измениться знак магнитного поля (инверсия). Через некоторое время величина магнитного поля Земли снова достигает нормального уровня и опять сохраняется достаточно долго (10⁵—10⁷ лет).

Вопрос происхождения магнитное поле Земли дол­гие годы оставался предметом острого интереса ис­следователей. Последовательно были изучены и от­брошены, как несостоятельные, различные гипотезы о его природе Всем экспериментальным фактам удовлетво­ряет лишь теория генерации магнитного поля Земли (и других планет) кон­вективными движениями электропроводящего веще­ства в жидком ядре нашей планеты

— теория гидро­магнитного динамо.

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ

Данная компьютерная программа моделирует натурную лабораторную работу, основной частью лабораторной установки является тангенс-гальванометр. Тангенс-гальванометр представляет две катушки Гельмгольца, позволяющие получить однородное магнитное поле и компас, расположенный между катушками. Величина индукции поля катушек пропорциональна силе тока в них и может быть рассчитана по известной формуле. Направлен вектор

---

перпендикулярно плоскости катушек. При изменении направления тока в катушках вектор меняет своё направление на противоположное Для определения магнитного поля Земли необходимо при выключенном источнике питания катушек корпус установки развернуть так, чтобы плоскости катушек были параллельны магнитной стрелке, которая, в данной ситуации, в равновесном положении ориентирована вдоль вектора магнитной индукции поля Земли, (см. рис. 7).



Рис. 7.

Плоскости катушек Гельмгольца параллельны магнитной стрелке, которая при отсутствии тока в катушках в равновесном положении ориентирована вдоль вектора магнитной индукции поля Земли (вид на установку сверху).

При включении тока катушки создают магнитное поле, модуль вектора индукции

которого определяется следующей формулой:

(9)

В формуле (9) N – общее число витков в обеих катушках;

I – сила тока в катушках;

R – радиус катушек.

При этом устойчивое положение равновесия магнитной стрелки определяется векторной суммой магнитных полей Земли - и катушек - (см. рис. 8).



Рис. 8.

При включении магнитного поля катушек , направленного перпендикулярно магнитному полю Земли - , магнитная стрелка начинает совершать затухающие колебания около положения устойчивого равновесия. Равновесное положение, в которое стрелка переходит через некоторое время, определяется направлением результирующего вектора магнитной индукции .

В равновесном положении стрелка отклонена от исходного положения на некоторый угол

---

, который можно измерить. Из рисунка 8 видно, что тангенс этого угла:

. (10)

Выражая интересующую нас величину из формулы (10), получим:

. (11)

Подставив из формулы (9) выражение для в формулу (11), получим:

. (12)

Для повышения точности измерений угол отклонения стрелки измеряют два раза, при разных направлениях тока в катушках. Затем находят его среднее значение:

. (13)

Рабочая формула для определения горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции Земли имеет следующий вид:

. (14)

---

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТы

Загрузите в компьютер файл magfield.exe, введите номер своей зачётной книжки.

В исходном положении магнитная стрелка ориентирована вертикально: её синий конец направлен вверх, красный – вниз, катушки Гельмгольца расположены сверху и снизу стрелки. Источник питания катушек выключен, соответственно, сила тока в них равна нулю.

Задание 1.

Цель задания 1: Познакомиться со свойствами магнитной стрелки.

Порядок выполнения задания 1а.

1.Убедитесь в том, что установка находится в исходном положении: источник питания выключен, сила тока в катушках равна нулю.

2. Приведите установку во вращение. Управлять вращением установки можно кнопками: «влево», «вправо», «стоп», «быстро», «нормально», «медленно».

3.Наблюдайте за поведением стрелки: при вращении установки в разные стороны,

после остановки вращения. Результаты наблюдений запишите в отчёт.

4.Проанализируйте результаты наблюдений, объясните поведение стрелки.

5.Запишите свои выводы в отчёт.

Порядок выполнения задания 1б.

1.При выключенном источнике питания катушек вращая установку, зафиксируйте её в в исходном положении, когда катушки расположены сверху и снизу стрелки.

2.Кнопкой «вкл/выкл» включите источник питания. Установите максимальное для данной установки значение силы тока – 3000 мА.

3.Поменяте направление тока в катушках на обратное, наблюдайте за поведением стрелки. Переключите направление тока в катушках на обратное.

4.Проанализируйте результаты наблюдений, объясните поведение стрелки.

5.Запишите свои выводы в отчёт.

6.Не изменяя силу тока в катушках, приведите установку во вращение.

5. Объясните поведение стрелки. Запишите свои выводы в отчёт.

Задание 2.

Цель задания 2: Определить горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции поля Земли.

Порядок выполнения задания 2.

1..Нарисуйте таблицу результатов измерений и расчётов:

---