EAIiE Informatyka	1. Ciborowski Grzegorz		Rok 1	Grupa 1	Zespół 4
PRACOWNIA FIZYCZNA	TEMAT: Busola stycznych .				Nr. Ćwiczenia: 41
Data wykonania: 08.05.2002	Data oddania:	Zwrot do poprawki:	Data oddania:	Data zaliczenia:	OCENA:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem busoli oraz wyznaczenie składowej poziomej ziemskiego pola magnetycznego.

Prąd płynąc przez przewodnik wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Wartość i kierunek wektora indukcji tego pola dB w punkcie P określa wzór Biota - Savarta:

We wzorze tym

, I oznacza natężenie prądu i r jest wektorem łączącym element dl i punkt P. Ostatnia wielkość występuje we wzorze dwukrotnie: jako wektor r w iloczynie wektorowym i jako skalar r w mianowniku wzoru. Kierunek wektora dB jest taki sam jak kierunek wektora dl × r.

Wektor indukcji pola magnetycznego w dowolnym punkcie można traktować jako superpozycję przyczynków dB pochodzących od poszczególnych elementów dl.

Zastosujmy wzór Biota - Savarta do obliczenia pola magnetycznego w środku przewodnika kołowego o promieniu R.

W tym wypadku wektor dl jest prostopadły do wektora r, a więc iloczyn wektorowy dl × r można zastąpić zwykłym iloczynem algebraicznym Rdl. Ponadto odległość r = R jest stała, zatem przyczynki dB są równe co do wartości,

i równoległe do osi koła. Sumowanie tych przyczynków sprowadza się do sumowania elementów długości dl, co w efekcie daje długość obwodu koła 2πR. Ostatecznie dla środka cewki kołowej, lub bardzo krótkiej zwojnicy złożonej z

n zwojów, wartość indukcji pola magnetycznego wynosi:
.

Busola stycznych jest to przyrząd służący do pomiaru składowej poziomej pola magnetycznego Ziemi. Oparty jest on o powyższy wzór.

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

Oddziaływanie pola z momentem magnetycznym igły powoduje ustawienie igły równolegle do poziomej składowej pola wypadkowego. Jeśli w cewce prąd nie płynie igła magnetyczna ustawia się równolegle do składowej poziomej ziemskiego pola B₀. Można tak ustawić busolę, by kierunek B₀ znajdował się w płaszczyźnie zwojów.

Włączenie prądu wywoła powstanie pola B o kierunku prostopadłym do płaszczyzny zwojów. Igła magnetyczna ustawi się teraz w kierunku wypadkowej obu pól. Wektory pola wypadkowego B_W oraz B₀ i B tworzą trójkąt prostokątny.

Widać, że

, stąd

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

Używana w ćwiczeniu busola stycznych ma zaciski odpowiadające różnym liczbom zwojów ( n = 4, 16, 40). Przewodniki są nawinięte warstwowo i odpowiednio izolowane. Obręcz wraz ze stolikiem igły magnetycznej znajdują się na wspólnej podstawie o trzech nóżkach regulowanej wysokości w celu wypoziomowania. Prócz busoli w skład obwodu elektrycznego wchodzi opornica suwakowa oraz amperomierz i przełącznik kierunku prądu. Układ jest zasilany napięciem stałym z zasilacza regulowanego.

Kierunek przepływu prądu w uzwojeniu

N zwojów

2R

I

dl

r

dB

P

I

dl

r

dB

α

B_W

B

B₀

N

S

N

E

W

S

---