background image

Kierunek: Informatyka
rok akademicki: 2009/2010
Semestr: 1
Grupa: 4

Nr ćwiczenia: 10

Bartosz Ogrodowicz

Busola stycznych

Indukcja magnetyczna:
Indukcja magnetyczna w fizyce wielkość wektorowa opisująca pole magnetyczne. Jest ona 
określana przez siłę Lorentza, czyli siłę działającą na ładunek elektryczny poruszający się w polu 
magnetycznym: 

×

=

B

v

q

F

gdzie:

F

- siła działająca na ładunek elektryczny

q - ładunek elektryczny

v

prędkością

B

 indukcja magnetyczna pola magnetycznego

Jednostką indukcji magnetycznej jest jedna tesla (1 T).
Skalarnie wzór ten można zapisać:

α

sin

qvB

F

=

gdzie α - kąt pomiędzy wektorem prędkości a wektorem indukcji.
Wartość indukcji magnetycznej jest równa sile działającej na ładunek jednego kulomba poruszający 
się w polu magnetycznym z prędkością 1 metra na sekundę, prostopadle do jego linii sił, wówczas:

qv

F

B

=

Z powyższego wzoru dla natężenia prądu płynącego w prostoliniowym przewodzie wynika:

Is

F

B

=

Wtedy wartość indukcji magnetycznej jednorodnego pola magnetycznego wyrażać się będzie przez 
siłę działającą na przewodnik o długości s = 1 m , przez który płynie prąd I = 1 A.
Z punktu widzenia matematycznego wektor indukcji magnetycznej jest pseudowektorem.

Natężenie pola magnetycznego:
Natężenie pola magnetycznego, H, wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne, 
definiowana poprzez prawo Biota-Savarta.

Natężenie pola magnetycznego związane jest z indukcją magnetyczną B równaniem: 

I

B

H

=

0

µ

gdzie: 

I - wektor namagnesowania

µo - przenikalność magnetyczna próżni.

Natężenie pola magnetycznego wyraża się w układzie Si w 

m

A

(amper na metr), dawniej stosowaną 

jednostką był ersted.

Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem, prawa: Ampera i Biota – Savarta:
W   przestrzeni   otaczającej   przewodnik,   przez   który   płynie   prąd   elektryczny,   istnieje   pole 

background image

magnetyczne.
Kierunek natężenia pola magnetycznego wytworzonego w jakimś punkcie przestrzeni otaczającej 
bardzo krótki i prostoliniowy odcinek przewodnika, przez który płynie prąd jest prostopadły do 
płaszczyzny przechodzącej przez dany punkt przestrzeni i dany odcinek przewodnika. Jest to prawo 
Biota-Savarta. Natężenie tego pola zgodnie z tym prawem wynosi:

,

sin

4

2

α

π

=

r

dl

I

dH

gdzie:

I jest natężeniem prądu

dl – długość odcinka przewodnika

r – odległość między punktem, w którym rozpatruje się natężenie pola a środkiem odcinka 
dl

α – kąt między odcinkiem dl i r.

Jeżeli przewodnik, przez który płynie prąd, ma kształt okręgu, natężenie pola magnetycznego, które 
powstaje w środku tego okręgu, wyznacza się następująco. Każdy odcinek dl okręgu wytwarza
w środku tego okręgu pole o natężeniu:

2

r

dl

I

dH

π

=

Wartość natężenia pola w środku koła równa się:

2

r

dl

I

dH

π

=

=

r

dl

r

I

H

π

π

2

0

2

4

r

I

H

2

=

Jeżeli zamiast pojedynczego przewodnika kołowego rozpatrujemy obwód złożony z N blisko siebie 
położonych   identycznych   przewodników   kołowych,   które   mają   poprzeczne   rozmiary   (grubość 
drutów
i izolacji) znikomo małe w stosunku do promienia koła, natężenie pola w środku okręgu wynosi:

,

2r

NI

H

=

gdy przez każdy przewodnik płynie prąd o natężeniu I (tzn. gdy są one połączone szeregowo, 
stanowiąc poszczególne zwoje wspólnego uzwojenia).

Obecność   pola   magnetycznego   można   wykazać   za   pomocą   swobodnie   zawieszonej   igły 
magnetycznej,   która   ustawia   się   równolegle   do   kierunku   pola.   Jeżeli   rozpatrywane   poprzednio 
uzwojenie  kołowe   ustawione  jest   pionowo  i  w   jego  środku  zawieszona  jest  igła  magnetyczna, 
mająca swobodę obrotu w płaszczyźnie poziomej, to podczas przepływu prądu przez uzwojenie igła 
ta ustawia się prostopadle do płaszczyzny uzwojenia. W tym przypadku na igłę magnetyczną działa 
w   płaszczyźnie   poziomej   tylko   pole   magnetyczne   wytworzone   przez   uzwojenie   kołowe.   Jeżeli 
jednocześnie   igła   magnetyczna   poddana   zostaje   działaniu   jeszcze   jednego   poziomego   pola 
magnetycznego, które posiada kierunek odmienny od kierunku pola magnetycznego wytworzonego 
przez   uzwojenie,   igła   ustawia   się   wzdłuż   linii   sił   pola   wypadkowego,   powstałego   w   miejscu,
w którym się ona znajduje. Jeżeli oba wspomniane pola są prostopadłe do siebie, igła ustawia się 
wzdłuż   przekątnej   prostokąta,   którego   boki   są   wektorami   tych   pól.   Znając   natężenie   pola 
magnetycznego H wytworzonego przez uzwojenie kołowe i kąt α, jaki tworzy igła z kierunkiem 
prostopadłym   do   tego   pola,   można   wyznaczyć   wartość   natężenia   drugiego   składowego   pola. 
Oznaczymy je przez H

z

 w zależności:

background image

α

tg

H

H

z

=

.

Przyrządem, który umożliwia porównanie natężenia tych dwóch pól magnetycznych jest busola 
stycznych.

Pole magnetyczne Ziemi, inklinacja, deklinacja:
Pole magnetyczne ziemskie jest ukośne w stosunku do (poziomej) powierzchni Ziemi. Kąt, jaki 
tworzy jego kierunek z płaszczyzną poziomą, nie jest więc prosty, a wartość tego kąta nazywamy 
inklinacją magnetyczną w danym punkcie powierzchni kuli ziemskiej.

Natomiast deklinacja magnetyczna to odchylenie igły magnetycznej od kierunku północ-południe. 
Wektor  natężenia  pola   magnetycznego  ziemskiego  można  rozłożyć  na  dwa  wektory  składowe: 
poziomy i pionowy.
Jeżeli   płaszczyzna   uzwojenia   busoli   stycznych   leży   w   płaszczyźnie   południka   magnetycznego 
ziemskiego, to kierunek pola magnetycznego wytworzonego przez prąd płynący w uzwojeniu jest 
prostopadły   do   kierunku   pola   magnetycznego   ziemskiego.   Pomiar   kąta   wychylenia   igły   α 
umożliwia wyznaczenie składowej poziomej natężenia pola ziemskiego.
Oznaczając przez H

z

 natężenie składowej poziomej, przez H – natężenie pola wytworzonego przez 

uzwojenie otrzymujemy:

α

α

tg

r

NI

tg

H

H

z

2

=

=

Moment magnetyczny, dipol magnetyczny:
Moment magnetyczny jest własnością danego ciała opisującą pole magnetyczne wytwarzane przez 
to ciało a tym samym i jego oddziaływanie z polem magnetycznym.
M=I*S
M- moment magnetyczny I- natężenie S- pole powierzchni
Z   reguły   mówi   się   o   dipolowym   momencie   magnetycznym,   choć   można   zaobserwować   także 
wyższą   multipolowość   momentu   magnetycznego.   Pole   magnetyczne   jest   bezźródłowe,   z   czego 
wynika, że nie istnieją monopole magnetyczne.
W fizyce kwantowej moment magnetyczny wyraża się w jednostkach zwanych magnetonem Bohra 
(dla atomów) lub magnetonem jądrowym (dla jąder atomowych).

background image

Mikroskopowy moment magnetyczny jest związany z ruchem orbitalnym naładowanej cząstki (co 
można interpretować jak prąd płynący w przewodzącej pętli) lub ze spinem, przy czym należy 
pamiętać, że moment magnetyczny to nie to samo co spin, choć jest z nim nierozerwalnie związany.

Dipol   magnetyczny,   układ   2   blisko   siebie   położonych   różnoimiennych   ładunków   (mas) 
magnetycznych;   pole   magnetyczne   wytwarzane   przez   dipol   magnetyczny   nosi   nazwę   pola 
dipolowego; wielkością charakteryzującą dipol magnetyczny jest dipolowy moment magnetyczny; 
w skali mikroskopowej dipolem magnetycznym są cząstki elementarne o niezerowym spinie, w 
skali makroskopowej — magnesy sztabkowe, kołowe obwody z prądem elektrycznym; swobodne 
ładunki magnetyczne w przyrodzie nie występują.

                                                 

                                                  

-------------------------------------------------------------------------------------------------------
 

background image

50 zwojów

Liczba zwojów

Napięcie [V]

Natężenie [A]

Wychylenie

Wartość składowej 

poziomej ziemskiego 

pola magnetycznego 

[A/m]

50

0,5 V

76 A

71

87,15 A/m

50

0,5 V 

76 A

68

102,35 A/m

50

0,6 V

84,3 A

72

91,30 A/m

50

0,7 V

102,3 A

75

91,37 A/m

50

0,7 V

102,3 A

74

97,78 A/m

50

0,8 V

110,5 A

76

91,84 A/m

50

0,8 V

110,5 A

77

85,04 A/m

50

0,9 V

131 A

78

92,82 A/m

50

1 V

140,3 A

79

90,91 A/m

50

1,1 V

155 A

80

91,10 A/m

50

1,1 V

155 A

81

81,83 A/m

50

1,2 V

163,7 A

81

86,43 A/m

50

1,3 V

176 A

80

103,45 A/m

50

1,3 V

176 A

81

92,92 A/m

background image

500 zwojów

Liczba zwojów

Napięcie [V]

Natężenie [A]

Wychylenie

Wartość składowej 

poziomej ziemskiego 

pola magnetycznego 

[A/m]

500

0,5 V

3,31 A

40

131,49 A/m

500

0,5 V

3,31 A

55

77,26 A/m

500

1 V

6,19 A

60

119,13 A/m

500

1 V

6,19 A

70

75,1 A/m

500

1,5 V

9 A

69

115,16 A/m

500

1,5 V

9 A

75

80,39 A/m

500

2 V

12,16 A

75

108,61 A/m

500

2 V

12,16 A

78

86,16 A/m

500

2,5 V

15 A

85

43,74 A/m

500

2,5 V

15 A

80

88,16 A/m

500

3 V

18,15 A

83

74,28 A/m

500

3 V

18,15 A

82 

85,03 A/m

500

3,5 V

22,2 A

81

117,20 A/m

500

3,5 V

22,2 A

85 

64,74 A/m

500

3,9 V

24,8 A

83 

101,5 A/m

500

3,9 V

24,8 A

85

72,32 A/m

background image

550 zwojów

Liczba zwojów

Napięcie [V]

Natężenie [A]

Wychylenie

Wartość składowej 

poziomej ziemskiego 

pola magnetycznego 

[A/m]

550

0,5 V

2 A

37

55,29 A/m

550

0,5 V

2 A

38

57,27 A/m

550

0,9 V

3 A

50

92,29 A/m

550

0,9 V

3 A

57

71,39 A/m

550

1,2 V

4 A

50

123,05 A/m

550

1,2 V

4 A

57

95,19 A/m

550

1,8 V

8 A

60

169,25 A/m

550

1,8 V

8 A

65

136,69 A/m

550

3,3 V

11 A

72

131,08 A/m

550

3,3 V

11 A

77

93,17 A/m

550

4,2 V

14 A

75

137,57 A/m

550

4,2 V

14 A

78

109,34 A/m

550

4,8 V

16 A

76

146,08 A/m

550

4,8 V

16 A

81 

92,69 A/m

550

5,1 V

17 A

72

202,58 A/m

550

5,1 V

17 A

82 

87,89 A/m

550

5,7 V

19 A

89

11,34 A/m

550

6,6 V

22 A

83

99,22 A/m

550

6,6 V

22 A

85

70,18 A/m

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Liczba zwojów

Średnia

50

91,87785714

500

90,015875

550

104,3189474

background image

Wniosek, analiza wyników:
Po   wykonaniu   danego   mi   ćwiczenia   zaobserwowałem,   że   przy   zmianie   kierunku 
prądu natężenia były inne ( wraz ze zmianą wychylenia ). Mogę przypuszczać, że 
wpływ na to mogło mieć pole magnetyczne panujące w laboratorium tworzone przez 
inne urządzenia, oraz stan techniczny przyrządu pomiarowego. W niektórym etapie 
ćwiczenia wartości były zbliżone. Wartości są prawie zbliżone do tabelarycznych, 
pomijając granicę błędu poprzez wymienione wcześniej przyczyny.