Файл: Лабораторная работа э 04 Измерение составляющих магнитного поля Земли методом наложения внешнего поля.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 94
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и образования Российской Федерации
МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Э_04
«Измерение составляющих магнитного поля Земли методом наложения внешнего поля»
| Э_04 | | |
| ФИО студента | Шифр группы | |
| | Выполнил(а) | |
| | Защитил(а) | |
МОСКВА 2023
Цель работы: Определение индукции магнитного поля Земли, исследуя
результирующее поле, создаваемое магнитным полем Земли и магнитным полем системы колец Гельмгольца.
Приборы и оборудование: Источник тока универсальный; реостат; пара катушек Гельмгольца; цифровой мультиметр; тесламетр; осевой датчик Холла; магнетометр; соединительные провода.
1. Теоретическая часть
Еще в 1839 году выдающийся немецкий математик Карл Гаусс выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли, согласно которой основная часть поля «выходит из Земли» и только его небольшая часть формируется внешней средой.
В настоящее время наиболее распространена гипотеза, по которой геомагнитное поле в основном создается электрическими токами, протекающими в жидком металлическом ядре Земли. Такая модель генерации поля получила название «гидромагнитное динамо», или МГД- динамо. Гидромагнитное динамо (динамо- эффект) заключается в самовозбуждении магнитного поля вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы.
Теория динамо была предложена английским физиком Джозефом Лармором в 1919 году. Эта теория получила развитие в работах американского геофизика Вальтера Эльзассера, который в 1939 году предложил идею генерации геомагнитного поля термоэлектрическими токами в Земле.
Позже, в 1947 году Эльзассером и независимо от него советским физиком Яковом Френкелем было сделано предположение, что магнитное поле возбуждается медленными движениями проводящего жидкого ядра (расплава), находящегося в первоначально слабом внешнем магнитном поле. Под действием силы Лоренца и кориолисовых сил эти движения устанавливаются таким образом, что создаваемое движущейся средой (по существу, электрическим током) магнитное поле может усиливать исходное (затравочное) магнитное поле. Процесс происходит так, как и в динамо-машине. После этого потребность во внешнем поле отпадает.
И
дея магнитного динамо получила развитие в работах Эдварда Булларда и других исследователей, и в настоящее время является доминирующей теорией. Буллард предположил, что в жидком ядре присутствуют параллельные экватору течения с запада на восток, обусловленные вращением Земли, и конвективные течения электропроводящей массы от центра горячего ядра к его поверхности и затем, после остывания, обратно к центру.В присутствии начального магнитного поля В0 под действием силы Ампера жидкая проводящая среда начинает вначале движение вдоль радиуса к поверхности Земли, которое затем, вследствие конечных размеров Земли, переходит во вращательное движение в меридиональной плоскости. В результате этого расплав начинает двигаться по поверхности тороида. В Северном и Южном полушариях образуются гигантские тороидальные катушки с током, вдоль осей которых появляется тороидальное магнитное поле.
В Северном полушарии это поле ориентировано в направлении вращения Земли, а в Южном полушарии — в противоположном направлении.
Анализ показывает, что работа гидродинамо возможна, если конвективные потоки не обладают осевой симметрией. Для Земли, у которой ось вращения и магнитная ось не совпадают, это условие выполняется.
Вычисления показывают, что работа геодинамо связана с хаотическими изменениями потоков железоникелевого расплава, которые приводят к флуктуациям магнитных полей. Инверсии земного магнетизма — это наиболее сильная флуктуация, и предсказать ее в настоящее время невозможно. Механизм магнитного динамо удовлетворительно описывает дрейф и инверсию полюсов Земли, объясняет отсутствие магнитного поля Венеры и пр.
Дополнительный вклад в магнитное поле на поверхности Земли дают токи в ионосфере — верхней атмосфере, простирающейся до высот 400-500 км. Ионосфера содержит большое количество ионов за счет ионизации солнечным ветром. Она электрически нейтральна и может считаться низкотемпературной плазмой.
Плазма удерживается магнитным полем Земли. Ее состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.
По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной (ночной стороны) оно вытягивается в длинный «хвост»
Земное магнитное поле имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. В северном полушарии все магнитные силовые линии сходятся в точке, лежащей на 85° северной широты и 147° западной долготы. Эта точка называется южным магнитным полюсом Земли. В южном полушарии точка схождения силовых линий лежит на 64° южной широты и 137° восточной долготы; она называется северным магнитным полюсом Земли.
Нужно заметить, что точки схождения силовых линий земного магнитного поля лежат не на самой поверхности Земли, а под ней. Магнитные полюсы Земли, как мы видим, не совпадают с ее географическими полюсами.
Магнитная ось Земли, то есть прямая, проходящая через оба магнитных полюса Земли, не проходит через ее центр и, таким образом, не является земным диаметром. Итак, Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко (300 км) от географических полюсов. Магнитный полюс Земли, который расположен на севере, называется Южным магнитным полюсом, другой, соответственно на юге, — Северным магнитным полюсом.
Полное представление о величине магнитного поля Земли в данной точке можно получить, зная значения трех величин, называемых элементами земного магнетизма: значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля, значения магнитного склонения и магнитного наклонения.
Магнитное склонение - угол между географическим и магнитным меридианами в точке земной поверхности. Магнитное склонение считается положительным, если северный конец магнитной стрелки отклонен к востоку от географического меридиана, и отрицательным — если к западу. Значение магнитного склонения указывается на магнитных картах и используется для определения истинного меридиана по показанию магнитного компаса.
Рис. 1
Магнитное наклонение - угол между магнитной силовой линией и горизонтальной плоскостью. На магнитных полюсах Земли, а также в районах крупных магнитных аномалий магнитное наклонение равно 90°.
Для определения численного значения индукции магнитного поля в данной точке рассмотрим плоскость геомагнитного меридиана данного места. Геомагнитным меридианом называется проекция силовой линии магнитного поля Земли на земную поверхность. Магнитные меридианы представляют собой сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.
Разложим вектор магнитной индукции, лежащий в этой плоскости, на две составляющие: горизонтальную
и вертикальную 
(рис. 1 б.).Зная угол (наклонение) и величину одной из составляющих, мы можем легко вычислить величину другой составляющей или самого вектора
. Если известна величина горизонтальной составляющей , то из прямоугольного треугольника можно найти вертикальную составляющую:
(1)Также легко можно определить модуль вектора индукции магнитного поля:
(2)На практике оказывается наиболее удобным непосредственно измерять именно горизонтальную составляющую магнитного поля Земли. Поэтому чаще всего величину магнитного поля Земли в том или ином месте Земли характеризуют три величины: склонение, наклонение и численное значение горизонтальной составляющей.
Для определения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли необходимо рассмотреть суперпозицию какого-нибудь пробного магнитного поля, индукция которого в данной точке направлена горизонтально, и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. В качестве пробного магнитного поля в данной лабораторной работе используется однородное магнитное поле ВК, создаваемое системой колец Гельмгольца. Если в центре системы колец Гельмгольца поместить магнитную стрелку (магнетометр) так, чтобы плоскости колец были параллельны плоскости магнитного меридиана, то после включения в системе колец Гельмгольца тока стрелка отклонится на некоторый угол. Угол между направлением результирующего магнитного поля
В и горизонтальной составляющей магнитного поля Земли ВГ обозначим через (рис.2).
Тогда, измерив значения углов , для каждого значения пробного магнитного поля, можно построить линейную зависимость:
(3)
Рис. 2
где угловым коэффициентом будет являться искомое значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли ВГ.
Используя закон Био-Савара-Лапласа можно получить выражение для расчета величины магнитного поля ВК в центре системы колец Гельмгольца.
(4)где N – число витков, I – сила тока, R - радиус катушек Гельмгольца.
Учитывая соотношение (3) для горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, получим следующее выражение:
(5)где
- магнитная постоянная (
).2. Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка представлена на рис. 3.
Рис.3
Система Гельмгольца представляет собой последовательно соединенные кольца Гельмгольца 1, реостат 2, мультиметр 3, используемый как амперметр, и источник тока 4. Кольца Гельмгольца смонтированы на устойчивых держателях и расположены параллельно друг другу.
Для измерения калибровочного коэффициента системы Гельмгольца используется аксиальный датчик Холла 5, закрепленный на штативе и соединенный с тесламетром 6. Если поместить штатив с датчиком в центре системы, то можно измерить значение индукции магнитного поля колец Гельмгольца в зависимости от силы тока колец. Естественно, данное поле будет суперпозицией магнитных полей колец Гельмгольца и Земли. Поэтому необходимо откалибровать тесламетр таким образом, чтобы при нулевом токе через систему колец значение индукции магнитного поля, определяемое тесламетром, равнялось нулю.