AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA W BYDGOSZCZY WYDZIAŁ MECHANICZNY
LABORATORIUM: fizyki
Ćwiczenie nr 26 Temat: Wyznaczenie składowej poziomej natężenia ziemskiego pola magnetycznego.
Imię i nazwisko: Rafał Politowicz Studium inż. Semestr III Grupa E Data: 13.12.96

Tabele pomiarowe:

Lp	1	2	3	4	5	śr
średnica zwojnicy [ ]

Lp	I1	I2	Iśr
1
2
3
4
5
6
7
8
śr

Część teoretyczna:

Pole magnetyczne - jest to obszar, w którym występują dostrzegalne działania magnetyczne (przyciąganie i odpychanie się biegunów magnetycznych)

Reguła kierunkowa Ampere'a - (reguła pływaka), reguła określająca zależność między kierunkiem prądu elektrycznego i kierunkiem pola magnetycznego wytworzonego przez ten prąd; obserwator płynący wzdłuż przewodnika zgodnie z kierunkiem prądu elektrycznego, tak że jest zwrócony twarzą ku igle magnetycznej umieszczonej pod przewodnikiem, widzi biegun północny tej igły odchylony w lewo.

Pole magnetyczne Ziemi - pole magnetyczne do którego opisu potrzebne są trzy elementy: inklinacja, deklinacja i składowa pozioma natężenia pola ziemskiego.

Indukcja magnetyczna

Po wprowadzeniu ciała do pola magnetycznego zmienia się charakter ruchu elektronów w każdym atomie, co prowadzi do pojawienia się momentu magnetycznego (o zwrocie przeciwnym w stosunku do pola). Zewnętrzne pole magnetyczne działa też na elektrony poruszające się swobodnie w przewodniku, tak że ich prąd wytwarza moment magnetyczny.

Wektor indukcji magnetycznej opisuje namagnesowanie substancji.

Prawo Ampere'a

Natężenie pola magnetycznego określamy wzorem:

gdzie:

B - indukcja magnetyczna

μ - przenikalność magnetyczna

Stosując wzór na indukcję magnetyczną:

gdzie:

I - natężenie prądu

r - promień

Po podstawieniu otrzymamy wzór w postaci:

Oznacza to, że natężenie pola magnetycznego wytworzonego przez prąd w przewodniku prostoliniowym nie zależy od rodzaju ośrodka. Wektor H jest równoległy do wektora B (nie jest to słuszne w ośrodkach anizotropowych). Linie magnetyczne wektora H mają więc taki sam przebieg jak linie wektora B.

Wyprowadzenie prawa Ampere'a:

/*2Πr

2ΠrH=I

Wyrażenie po lewej stronie powyższej równości jest iloczynem natężenia pola magnetycznego i długości okręgu o promieniu r. Możemy to zapisać w postaci całki krzywoliniowej:

drogą całkowania jest dowolna linia magnetyczna w kształcie okręgu o promieniu r; wektor H jest styczny do tego okręgu w każdym jego punkcie i ma stałą wartość bezwzględną, zatem powyższa całka równa jest iloczynowi występującemu po lewej stronie równania: 2ΠrH=I. Otrzymujemy:

Jest to matematyczna postać prawa Ampere'a

Prawo Ampere'a jest słuszne dla dowolnych dróg całkowania i dowolnych układów przewodników. W ogólnym przypadku przez I należy rozumieć sumę algebraiczną natężeń prądów płynących wewnątrz kontura całkowania. Cyrkulacja może przyjmować różne wartości, zależnie od doboru konturu całkowania.

W ogólnym przypadku prawo Ampere'a można sformułować następująco:

Cyrkulacja wektora natężenia pola magnetycznego jest równa sumie algebraicznej natężeń prądów płynących wewnątrz konturu całkowania.

Inklinacja - kąt, który tworzy zawieszona swobodnie igła magnetyczna z poziomem. W Europie biegun północny igły inklinatorium pochyla się ku dołowi. Przebieg inklinacji opisujemy za pomocą krzywych łączących na mapie punkty o tej samej wartości inklinacji czyli tzw. izoklin. Na równiku magnetycznym inklinacja jest równa zero.

Deklinacja - kąt pomiędzy składową poziomą indukcji magnetycznej pola ziemskiego a kierunkiem południka ziemskiego w danym punkcie. Przebieg deklinacji na mapie nazywamy izogonami (krzywa łącząca punkty o tej samej deklinacji). Agoncz, czyli linia łącząca deklinacje równe zero przebiega nieco na wschód od Polski. Wartość deklinacji nie jest stała w czasie i w Polsce roczna wartość deklinacji wynosi ok. 0,2 przesunięcia na wschód.

Rzuty poziome linii indukcji magnetycznej pola magnetycznego Ziemi - podają one przebieg tzw. południków magnetycznych. Przebieg południka magnetycznego znajdziemy przesuwając się po powierzchni Ziemi w kierunku wskazanym przez kompas. Inaczej mówiąc południk magnetyczny jest to krzywa na powierzchni Ziemi, styczna w każdym punkcie do kierunku poziomej igły magnetycznej. Na biegunach magnetycznych Ziemi inklinacja wynosi 90, oznacza to,. że wartość deklinacji magnetycznej staje się nieokreślona, a to z powodu, że kierunek południka magnetycznego staje się nieokreślony. Wynika stąd dalej, że wszystkie izogony muszą przechodzić przez bieguny geograficzne Ziemi, ponieważ przez każdy z tych biegunów przechodzą południki ziemskie. Wartość poziomej składowej indukcji pola Ziemi podajemy kreśląc na mapie krzywe łączące punkty o jednakowych wartościach tej składowej indukcji zwanych izodynami.

Metoda pomiaru:

Metoda pomiaru składowej poziomej natężenia ziemskiego pola magnetycznego polega na wykorzystaniu zjawiska wzajemnego oddziaływania sił ziemskiego pola magnetycznego, którego wartość możemy w miarę dokładnie określić. Jeżeli źródła obu pól magnetycznych ustawimy prostopadle do siebie i umieścimy między nimi igłę magnetyczną, to jej kąt wychylenia będzie wzdłuż wypadkowej działających sił (tgα=F₁/F₂) wytworzonych przez te źródła.

Jeżeli kąt wychylenia α będzie wynosił 45°, to siły F₁ i F₂ będą sobie równe (tgα=1) H₁=H₂. A skoro F₂ możemy wyznaczyć t o znamy także siłę F₁ wytworzoną przez ziemskie pole magnetyczne.

F₁

F₁ - siła pola magnetycznego Ziemi

F₂ - siła pola magnetycznego źródła

α

F₂

Własności siłowe każdego pola określone są przez natężenie pola H, które liczbowo jest równe sile z jaką to pole działa na jednostkę masy magnetycznej.

Przebieg ćwiczenia:

Ustawiamy zwojnicę prostopadle do busoli stycznych i przez zwojnicę przepuszczamy prąd elektryczny, który powoduje odchylenie wskazówki kompasu. Następnie poprzez opornik ustalamy takie natężenie prądu, aby wskazówka kompasu odchyliła się o 45*. Odczytujemy wartość prądu przepływającego przez zwojnicę. Mierzymy również średnicę zwojnicy oraz ilość zwojów. Uzyskane wartości podstawiamy do wzoru.

Schemat stanowiska:

busola stycznych

zwojnica na solenoidzie

kompas

zaciski prądowe

opornik ze zmienną rezystancją

amperomierz

Oszacowanie błędu:

1. Obliczenie odchylenia standardowego

[A]

[m]

2. Obliczenie maksymalnego błędu bezwzględnego

dla n=8; α=0,99 ⇒ n=5,4

ΔI=±0.03*5.4=0.162 [A]

Δ2r=±0.0002*5.4=0.00108 [m]

---