Wyznaczanie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego ziemskiego za pomocą busoli stycznych.

Na powierzchni Ziemi istnieje pole magnetyczne, którego rozkład jest określony w głównej mierze położeniem biegunów magnetycznych. Biegun północny magnetyczny leży na północ od Kanady, w przybliżeniu na szerokości 71o i długości zachodniej 96o, a biegun południowy znajduje się na Antarktydzie, na szerokości 72o i długości wschodniej 155o.

Linie sił pola magnetycznego nie są równoległe do południków geograficznych. Nie są one także równoległe do powierzchni Ziemi.

Do opisu pola magnetycznego Ziemi potrzebne są trzy zasadnicze jego elementy: deklinacja, inklinacja oraz wartość składowej poziomej natężenia pola ziemskiego.

Deklinacją nazywamy kąt między składową poziomą indukcji magnetycznej pola ziemskiego a kierunkiem południka geograficznego w danym punkcie.

Inklinacją nazywamy kat, jaki tworzy z poziomem zawieszona swobodnie igła magnetyczna.

Igłą magnetyczną może być każde ciało ferromagnetyczne zawieszone lub podparte na pionowej osi. Namagnesowana igła posiada makroskopowy moment magnetyczny, który oznaczamy przez
. Jeżeli znajdzie się ona w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji B, wówczas działa na nią moment siły
określony równaniem:

,

który powoduje obrót igły do położenia, w którym jest ona równoległa do wektora indukcji magnetycznej. Tak więc, w położeniu równowagi kierunek igły magnetycznej pokrywa się z kierunkiem pola magnetycznego.

Zasada pomiaru

Przyrządem umożliwiającym wyznaczenie składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi jest busola stycznych. Składa się ona z szeregu (n) kolistych uzwojeń o promieniu r, przez które płynie prąd o natężeniu I oraz umieszczonej w środku igły magnetycznej mogące poruszać się tylko w płaszczyżnie poziomej. Na igłę działa więc tylko składowa pozioma pola ziemskiego H_z. Busolę ustawiamy tak, aby kierunek pola magnetycznego Ziemi leżał w płaszczyźnie zwojów, gdy przez busolę nie płynie prąd.

Jeżeli teraz przez uzwojenie popłynie prąd o natężeniu i, wytworzy on w środku busoli pole magnetyczne o natężeniu

prostopadle do płaszczyzny uzwojeń. Igła ustawi się w kierunku wypadkowego pola magnetycznego odchylając się o kąt od położenia pierwotnego. Z rysunku widać, że

.

Z ostatniego równania można wyliczyć

.

W celu wyznaczenia składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi należy znać liczbę i promień zwojów oraz zmierzyć kąty wychylenia igły przy różnych wychyleniach prądu

Przebieg ćwiczenia.

1. Połączyć układ elektryczny.

2. Ustawić igłę magnetyczną w płaszczyźnie uzwojeń.

3. Zwiększając kolejno liczbę uzwojeń busoli odczytywać kąt odchylenia igły przy pięciu wartościach natężenia prądu. Po każdym odczycie zmieniać kierunek przeplwu prądu.

4. Dla każdego pomiaru obliczyć Hz.

5. Obliczyć wartość średnią składowej poziomej natężenia pola magnetycznego ziemskiego.

OBLICZENIA:

Do obliczenia składowej poziomej natężenia pola magnetycznego ziemskiego wykorzystany został wzór:

,

gdzie: n - liczba zwojów,

2r = D = 250 mm - średnica zwojów,

- kąt wychylenia igły magnetycznej.

Błąd odczytu kąta wychylenia igły magnetycznej: = 1o = 0.017453 radiana.

Błąd pomiaru średnicy zwojów D = 1 mm.

Błąd pomiaru natężenia prądu obliczony został z klasy amperomierza, która wynosiła 1.5.

.

Błąd wyznaczenia Hz :

Przykładowe obliczenia (pomiar 5):

Pozostałe obliczenia przedstawione zostały w tabeli.

L.P.	l.zwojów	natężenia prądu	wychylenia	Hz	Hz
		mA	o	A/m	A/m
1	4	30	3	6.11
2	12	30	6	6.09
3	16	30	9	6.06
4	24	30	11	6.55
5	36	30	13	6.93
6	40	30	10	7.26
7	60	40	15	9.55
8	60	60	19	11.15
9	60	80	22	9.50
10	60	100	26	13.12
11	60	20	16	11.16
12	60	40	24	14.37
13	40	60	30	16.63
14	40	80	37	16.99
15	40	100	48	14.41
16	44	20	17	11.51
17	44	40	24	15.81
18	44	60	29	19.05
19	44	80	31	23.43
20	44	100	43	18.87
21	56	20	15	16.72
22	56	40	21	23.34
23	56	60	26	27.56
24	56	80	30	31.04
25	56	100	34	33.08

Wartość średnia składowej poziomej natężenia pola magnetycznego ziemskiego wynosi 15.05 A/m.

WNIOSKI:

W doświadczeniu można zauważyć, że im wyższa liczba zwojów i natężenia prądu tym zwiększa się liczba składowej poziomej natężenia pola magnetycznego Ziemi Hz

---