Набор «Магнитное поле Земли»

Набор «Магнитное поле Земли» предназначен для выполнения лабораторной работы по определению горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли. Эта работа — классический эксперимент в курсе физики, позволяющий количественно оценить одну из характеристик геомагнитного поля.

🧲 Основной прибор — Тангенс-гальванометр

Центральный элемент этого набора — тангенс-гальванометр. Это прибор, который связывает неизвестное магнитное поле Земли с известным полем, создаваемым электрическим током.

Конструкция прибора проста:

• Это катушка с несколькими витками провода большого радиуса.

• В центре катушки на вертикальной оси установлена магнитная стрелка (по сути, очень чувствительный компас).

📐 Принцип работы: «Тангенс» в названии

Принцип действия основан на сложении двух взаимно перпендикулярных магнитных полей:

1. Горизонтальная составляющая поля Земли (H_h): всегда направлена на магнитный север. Это та часть поля, на которую реагирует обычный компас.

2. Поле катушки с током (H_к): возникает при пропускании тока через катушку. Его направление перпендикулярно плоскости катушки. Если расположить плоскость катушки вдоль магнитного меридиана (т.е. по направлению H_h), то поле катушки будет направлено перпендикулярно H_h.

Находясь под действием двух полей, магнитная стрелка повернется и установится по направлению их равнодействующей. Угол её отклонения (φ) от исходного положения (от направления на север) и есть ключ к разгадке.

Из простых тригонометрических соотношений следует, что тангенс угла отклонения стрелки равен отношению поля катушки к горизонтальной составляющей поля Земли:

tg⁡ϕ=HкHчtgϕ=Hч​Hк​​

Отсюда получается формула для расчета горизонтальной составляющей:

Hч=Hкtg⁡ϕHч​=tgϕHк​​

Поле катушки H_к в центре витка можно точно рассчитать по формуле:

Hк=NI2RHк​=2RNI​

где N — число витков, I — сила тока, R — радиус катушки.

В итоге, рабочая формула выглядит так:

Hч=NI2R⋅tg⁡ϕHч​=2R⋅tgϕNI​

⚙️ Как проводится эксперимент

Основные шаги для измерения горизонтальной составляющей выглядят так:

1. Ориентация: Установить катушку тангенс-гальванометра строго в плоскости магнитного меридиана, то есть так, чтобы при выключенном токе магнитная стрелка совпадала с направлением «север-юг» и показывала 0°.

2. Измерения: Пропустить через катушку ток и измерить угол отклонения стрелки φ. Чтобы повысить точность, можно менять ток и записывать несколько пар значений (I, φ).

3. Расчет: По формуле вычислить HчHч​ для каждой пары значений и найти среднее.

➕ Что можно измерить дальше?

Зная горизонтальную составляющую, можно пойти дальше и определить полный вектор индукции магнитного поля Земли $B$. Для этого используется магнитное наклонение (β) — угол, под которым вектор полного поля наклонен к горизонтальной плоскости.

Найдя HчHч​ и измерив угол наклонения β (например, с помощью специального прибора — буссоли наклонения), можно вычислить:

• Вертикальную составляющую Bв=Bч⋅tg⁡βBв​=Bч​⋅tgβ.

• Полную индукцию B=Bчcos⁡βB=cosβBч​​.

Это позволяет получить полную картину магнитного поля Земли в вашей местности.