Wydział Fizyki i Techniki Jądrowej		Grzegorz Sawina , Sebastian Wroński			Zespół 1
Rok 2 , Grupa 3		Temat : Busola stycznych .			Nr. ćwicz 41
Data wyk. 7.12.99	Data oddania	Zwrot do pop.	Data oddania	Ocena :	Podpis :

Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z budową i działaniem busoli, wyznaczenie składowej poziomej ziemskiego pola magnetycznego.

Wstęp teoretyczny

Prąd płynąc przez przewodnik wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Natężenie tego pola w dowolnym punkcie jest superpozycją natężeń pól elementarnych pochodzących od poszczególnych elementów długości przewodnika. Z prawa Biota-Savarta wiemy, że prąd o natężeniu I płynący przez element przewodnika o długości dl wytwarza w punkcie odległym o r pole magnetyczne o natężeniu:

(1)

W środku bardzo krótkiej zwojnicy o promieniu R złożonej z n zwojów natężenie pola magnetycznego wynosi:

(2)

Gdy znamy natężenie płynącego prądu możemy korzystając ze wzoru (2) zbudować przyrząd do pomiaru składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi. Przyrząd ten nazywany jest busolą stycznych.

W konstrukcji busoli wykorzystano oddziaływanie pola magnetycznego wytworzonego przez cewkę z prądem, z igłą magnetyczną. Uzwojenia są nawinięte na cienką obręcz wykonaną z materiału nieferromagnetycznego. Igła magnetyczna znajduje się w środku tej obręczy i tak jest przytwierdzona by mogła się obracać w płaszczyźnie poziomej. Wokół igły jest skala kątowa, na której odczytuje się wychylenie.

Oddziaływanie pola z momentem magnetycznym igły powoduje jej ustawienie równolegle do poziomej składowej pola wypadkowego. Jeśli w cewce prąd nie płynie - igła magnetyczne ustawia się równolegle do składowej poziomej magnetyzmu ziemskiego H_O. Można tak ustawić busolę aby jego kierunek znajdował się w płaszczyźnie zwojów. Włączenie prądu wywoła powstanie pola H Danego wzorem (2) o kierunku prostopadłym do płaszczyzny zwojów. Igła magnetyczna ustawi się teraz w kierunku wypadkowej obu pól. Wektory H_W (wektor wypadkowy) oraz H_O i H tworzą trójkąt prostokątny. Widać, że:

(3)

Mierząc kąt wychylenia igły oraz natężenie prądu można wyznaczyć składową poziomą natężenia ziemskiego pola magnetycznego.

Wykonanie ćwiczenia :

Średnica cewki = 0,265 ± 2 mm

Tabele pomiarów.

Liczba zwojów	Natężenie [A]	kąt1 [ ^O]	kąt2 [ ^O]	kąt śr [^O]	Natężenie pola[A/m]
4	0,64	31	30	30,5	16,400467
4	0,75	37	35	36	15,582095
4	1,14	48	45	46,5	16,329885
4	1,75	60	58	59	15,872532
16	0,15	29	28	28,5	16,680586
16	0,21	40	38	39	15,658001
16	0,28	48	45	46,5	16,043396
16	0,45	61	60	60,5	15,372699
40	0,052	30	28	29	14,160412
40	0,074	39	37	38	14,297098
40	0,13	48	48	48	17,668903
40	0,155	57	57	57	15,194351
				Wartość śr	15,8
				Niepewność	0,5

Wnioski

Na podstawie wyników doświadczenia otrzymaliśmy wartość składowej poziomej magnetycznego pola ziemskiego równą 15,8±0,5 [A/m].

Wartość tablicowa składowej poziomej indukcji pola magnetycznego dla Krakowa wynosi 21 T (Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki cz.1). Stąd natężenie tego pola równe jest:

(4)

Mimo tego iż wynik otrzymany nie zgadza się z tablicowym w granicy błędu możemy uznać go za zadowalający ponieważ błąd był liczony z odchylenie standardowego, czyli przedział ufności wynosi ok. 67% tzn, że przy wielokrotnym powtarzaniu pomiaru ok. 67% wyników powinno mieścić się w granicy błędu. Zwiększając przedział ufności np. do 95% czyli zamiast σ wziąć 2σ udało by się nam uzyskać zgodność z wartością tablicową. Można zauważyć, że błąd rzędu 2σ stanowi 5% całego wyniku i choć jest to znacząca niepewność to wynik obarczony takim błędem jest do przyjęcia. Tak duża wartość odchylenia standardowego, czyli duży rozrzut wyników wokół wartości średniej jest spowodowany problemami z wykonaniem ćwiczenia. Bardzo czuła igła kompasu zmieniająca swoje położenie nawet o 2 stopnie przy np. oparciu się o stół czy tupnięciu przy chodzeniu. Przy odczycie ze skali należało interpolować między kreskami podziałki co też na pewno miało wpływ na wynik. Jeżeli w doświadczeniu wystąpiłyby jakieś błędy statystyczne należało by zacząć je szukać właśnie przy pomiarze kąta. W naszym doświadczeniu na wychylenie igły miały wpływ nie tylko pole magnetyczne Ziemi i pole cewki, ale również pola wytwarzane przez zasilacz, przewody przez które płynął prąd. Samo pole magnetyczne Ziemi też ma charakter zmienny i waha się w granicach nawet 1%, jest to spowodowane wiatrem słonecznym.

---