Загальна інформація
Опис
Магнітне поле Землі захищає планету від космічного випромінювання. Точне знання його форми дозволяє калібрувати вимірювальні інструменти, які використовуються для вимірювання інших магнітних полів.
Рис.1: Експериментальна установка
Додаткова інформація (1/2)
Попередні
знання
Попередні знання, необхідні для цього експерименту, містяться в розділі "Теорія".
Науковий принцип
Постійне магнітне поле, величина і напрямок якого відомі, накладається на невідоме магнітне поле Землі. Магнітне поле Землі може бути розраховане за величиною і напрямком результуючої густини магнітного потоку.
Додаткова інформація (2/2)
Мета цього експерименту - виміряти магнітне поле Землі.
Мета навчання
Завдання
- Необхідно визначити магнітний потік пари котушок Гельмгольца і побудувати графік залежності магнітного потоку від електричного струму в котушці. Коефіцієнт калібрування системи Гельмгольца розраховується за нахилом лінії.
- Визначте горизонтальну складову магнітного поля Землі шляхом накладення поля Гельмгольца.
- Для розрахунку вертикальної складової магнітного поля Землі необхідно визначити кут нахилу.
Теорія (1/2)
Для безструмових котушок магнітна стрілка магнітометра орієнтується на горизонтальну складову (напрямок "північ/південь") магнітного поля Землі. Якщо на цю компоненту накласти додаткове магнітне поле через котушки Гельмгольца, то стрілка повернеться на кут і вказуватиме у напрямку результуючої . На рис. 3А представлені компоненти поля для загального випадку . Компоненти, зображені пунктирною лінією, являють собою результуючі умови , коли полярність струму котушки змінюється на протилежну. За допомогою теореми синусів отримуємо:
(1)
Теорія (2/2)
У окремому випадку, коли вісь котушки перпендикулярна напрямку "північ/південь" , застосовується таке:
(2)
За допомогою калібрування
(3)
з (1) отримуємо :
(4)
Обладнання
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Котушки Гельмгольца, 1 пара | 06960-06 | 1 |
| 2 | PHYWE Блок живлення, універсальний, аналоговий дисплей DC: 18 В, 5 А / AC: 15 В, 5 А | 13503-93 | 1 |
| 3 | Резистор 100 Ом, 320 Вт | 06114-03 | 1 |
| 4 | Тесламетр, цифровий | 13610-93 | 1 |
| 5 | Датчик Холла, аксіальний | 13610-01 | 1 |
| 6 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 7 | Магнітометр | 06355-00 | 1 |
| 8 | Циліндрична опора expert | 02004-00 | 1 |
| 9 | Прямокутний затискач | 02054-00 | 1 |
| 10 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=250 мм, d = 10 мм | 02031-00 | 1 |
| 11 | Трубка-стійка із затискачем | 02060-00 | 1 |
| 12 | З'єднувальний провідник, 1000 мм, червоний | 07363-01 | 1 |
| 13 | З'єднувальний провідник, 1000 мм, синій | 07363-04 | 4 |
Підготовка та виконання роботи
Підготовка
Складові експериментальної установки представлені на рис. 1. Котушки Гельмгольца разом із закріпленими на них тримачами з'єднані послідовно (з'єднання однакових за номером з'єднань) і з'єднані з генератором постійного струму за допомогою реостата та мультиметра, який використовується як амперметр. Зонд Холла має бути закріплений на штативному стрижні так, щоб основа циліндра була спрямована всередину до осі котушки в центрі установки Гельмгольца. При такому розташуванні горизонтальна складова вектора магнітної індукції пари котушок визначається як функція струму котушки . Калібрувальний коефіцієнт визначається за допомогою відповідного графіка (див. рис. 2).
Рис. 2: Калібрувальна функція пари котушок Гельмгольца.
Виконання роботи (1/2)
Примітка:Перед початком вимірювання необхідно точно встановити нульову точку тесламетра.
Магнітометр (з вирівняним градуйованим колом) розміщають між котушками за допомогою циліндричної опори і штатива, таким чином, щоб центр градуйованого кола приблизно збігався з центром пари котушок.
Спочатку на градуйованому колі для котушок без струму відмічається напрямок "північ/південь". Для того щоб зафіксувати напрямок "північ/південь" магнітної стрілки, її слід кілька разів злегка відвернути від положення рівноваги. Можливий опір тертю можна зменшити, обережно постукавши по інструменту. Для того щоб визначити горизонтальну складову магнітного поля Землі, вимірюється кут відхилення магнітної стрілки з її положення рівноваги як функція малих струмів котушки. Якщо полярність струму в котушці змінюється, то серію вимірювань необхідно повторити. Під час визначення точного кута необхідно враховувати показання обох кінчиків стрілки.
Виконання роботи (2/2)
Кут (рис. 3А) між напрямком "північ/південь" і віссю пари котушок досягається за рахунок максимального відхилення стрілки, коли резистор закорочують, амперметр вимикають і встановлюють струм у котушці приблизно 4 А.
На завершення, як і для котушок без струму, градуйоване коло магнітометра повертають до вертикальної площини так, щоб магнітна стрілка тепер показувала кут нахилу Переконайтеся, що вісь обертання відповідає напрямку "північ/південь". Для того, щоб перевірити , магнітометр повертають на 180° і, таким чином, переміщують у вертикальній площині.
Рис. 3: Векторна діаграма густини магнітного потоку: A) горизонтальна площина, B) вертикальна площина.
Оцінка
Результати (1/2)
Якщо представляється як функція від (рис. 4), то горизонтальну складову магнітного поля Землі можна визначити із нахилу графіка.
З рис. 3 B визначається вертикальна складова і виміряний кут нахилу.
(5)
Рис. 4: Лінійна функція відповідно до (4) для визначення горизонтальної складової магнітного поля Землі.
Результати (2/2)
Сумарна густина магнітного потоку розраховується як:
(6)
Довідкові значення для Геттінгена, Німеччина:
Примітка
Прийнятні результати вимірювань можна отримати лише за умови уникнення впливу магнітних полів, що збурюють (наприклад, шматки заліза поблизу місця вимірювання).