21. Žemės magnetinio lauko tyrimas

Užduotis

1. Ištirti Helmholco ritėse sukurtos magnetinės indukcijos priklausomybę nuo elektros srovės stiprio jose ir nustatyti šios priklausomybės koeficientą.

2. Rasti Žemės magnetinės indukcijos horizontaliąją komponentę, panaudojant Helmholco rites.

3. Rasti Žemės magnetinės indukcijos vertikaliąją komponentę.

Pagrindiniai teoriniai klausimai

1. Magnetinis laukas ir jį aprašantys fizikiniai dydžiai.

2. Bio ir Savaro dėsnis.

3. Magnetinis laukas, susidarantis rite tekant elektros srovei, ir Žemės magnetinis laukas.

Tyrimo metodika

Metodika remiasi orientuotų Helmholco ričių ir Žemės magnetinės indukcijos vektorių sudėties tyrimu ričių centre.

Kai ritėse neteka elektros srovė, jų centre horizontaliai įtaisyto kompaso magnetinė

rodyklė orientuojasi išilgai Žemės magnetinės indukcijos horizontaliosios komponentės

(Šiaurės - Pietų magnetinių polių kryptimi). Vertikaliose Helmholco ritėse tekant elektros srovei,

sukuriama papildoma horizontalioji magnetinės indukcijos komponentė , kuri yra nukreipta

išilgai ričių centrinės ašies. Dėl to magnetinė rodyklė pasisuka kampu , orientuodamasi išilgai

suminės magnetinės indukcijos vektoriaus. Magnetinių indukcijų vektorių sudėtis yra

parodyta 1A pav. Punktyrinėmis linijomis yra parodyti vektoriai tuo atveju, jei ritėse tekėtų priešingos krypties elektros srovė.

Pasinaudoję sinusų teorema, gauname

. (1)

Kai ričių pagrindinė ašis yra statmena Šiaurės - Pietų polių krypčiai, kampas = 90o. Tada:

. (2)

Pagal (1) ir (2) lygtis, Žemės magnetinės indukcijos horizontaliąją komponentę galima rasti, išmatavus elektros srovės ritėse sukurtą magnetinę indukciją jų centre ir kampą, kuriuo

pasisuka magnetinė rodyklė. Norint nustatyti ričių magnetinę indukciją kompaso buvimo vietoje,

reikia nustatyti magnetinės indukcijos priklausomybę nuo elektros srovės stiprio :

. (3)

Čia K – gradavimo koeficientas, randamas išmatavus ir .

1 pav. Magnetinių indukcijų vektorinė diagrama: A) horizontalioje plokštumoje; B) vertikalioje plokštumoje.

Įrašę (3) į (2), turime

. (4)

Taigi, žinant ričių gradavimo koeficientą, Žemės magnetinės indukcijos horizontaliąją komponentę randame iš (4), išmatavę rodyklės pasisukimo kampą , kai ritės orientuotos taip, kad .

Žemės magnetinės indukcijos komponenčių vektorinė diagrama pavaizduota 1B pav.

Žemės magnetinės indukcijos vertikaliąją komponentę randame išmatavę kampą :

.

(5)

Kampu pasisuka kompaso magnetinė rodyklė, kai jo ašis orientuota horizontaliai ir

statmenai abiems komponentėms ir .

Suminė magnetinė indukcija randama pagal Pitagoro teoremą:

. (6)

Tyrimo eiga

Darbo priemonės yra parodytos 2 pav. Sutvirtinta ir nuosekliai sujungta (sujungiamos vienodai pažymėtos jungtys) Helmholco ričių pora yra prijungiama prie nuolatinės įtampos šaltinio nuosekliai su reostatu ir multimetru, kuris yra naudojamas kaip miliampermetras. Holo efekto pagrindu veikiantis magnetinio lauko jutiklis pritvirtinamas ant prilaikančio strypelio taip, kad jo vamzdelis kirstų centrinę Helmholco ričių dalį, išilgai ričių centrinės ašies. Išmatuojama

magnetinės indukcijos horizontaliosios komponentės priklausomybė nuo ritėse tekančios

elektros srovės stiprio IH, o iš grafiškai pavaizduotų matavimo rezultatų, remiantis (3), randamas gradavimo koeficientas

. (7)

2 pav. Magnetinio lauko tyrimo laboratoriniai reikmenys.

Pastaba: atliekant šį eksperimentą šalia matavimo įrangos neturi būti pašalinių magnetinių laukų šaltinių ar įsimagnetinančių medžiagų.

Panaudojus stovelį su strypeliu, magnetometro funkciją atliekantis kompasas su sugraduotu ciferblatu patalpinamas tarp ričių taip, kad horizontalioje padėtyje esančio ciferblato centras sutaptų su ričių poros centru. Visų pirma, pasižymimi kompaso Šiaurės - Pietų poliai (S/N), kai neteka elektros srovė ritėse. Siekiant įsitikinti, kad yra pasirinkta teisinga Šiaurės -

Pietų polių orientacija, reikia kelis kartus išvesti kompaso rodyklę iš pusiausvyros padėties ir palaukti, kol jos svyravimai užges. Galima trinties įtaka gali būti pašalinta švelniai pabarbenant į kompaso ciferblatą. Žemės magnetinės indukcijos horizontalioji komponentė hBH yra randama pagal (5) iš kompaso rodyklės atsilenkimo kampo priklausomybės nuo elektros srovės stiprio

ritėse. Matavimus patartina atlikti naudojant abiejų krypčių elektros sroves. Prieš sukuriant

elektros srovę ritės orientuojamos taip, kad jų ašis būtų statmena rodomai Šiaurės - Pietų krypčiai.

Žemės magnetinės indukcijos vertikaliąją komponentę randame išjungę elektros

srovę ritėse ir kompasą pasukę 90o kampu apie ašį, sutampančią su rodyta Šiaurės – Pietų kryptimi, taip jį pastatant vertikalioje plokštumoje. Tokiu atveju, kompaso rodyklė orientuojasi Žemės suminės magnetinės indukcijos kryptimi kampu 1. Įsitikinimui, kad sukimosi ašis sutampa su rodyta Šiaurės - Pietų kryptimi, išmatuojamas ir kampas 2, kompasą 180o kampu persukus vertikalioje plokštumoje. Tada Žemės magnetinės indukcijos vertikaliajai komponentei

rasti į (5) įstatomas šių kampų ir aritmetinis vidurkis:

. (8)

Paklaidų įvertinimas

Ričių gradavimo koeficiento, nustatomo pagal (7), paklaidą lemia magnetinės indukcijos ir elektros srovės stiprio matavimo paklaidos:

. (9)

Žemės magnetinės indukcijos horizontaliosios komponentės, randamos pagal (4) formulę, paklaida siejasi su ričių magnetinės indukcijos ir kampo kotangento paklaidomis:

, (10)

kur kampo paklaida yra išreikšta radianais.

Analogiškai Žemės magnetinės indukcijos vertikaliosios komponentės, randamos pagal (5) formulę, paklaida siejasi su Žemės magnetinės indukcijos horizontaliosios komponentės ir kampo tangento paklaidomis:

, (11)

kur kampo paklaida yra išreikšta radianais.

Literatūra

1. Medeišis A. Mechanika, molekulinė fizika, elektra ir magnetizmas. Fizikos praktikumas. – Vilnius: Vilniaus universiteto leidykla, 2000. – 353 p.

2. Rinkevičius V. Elektra ir magnetizmaas. – Vilnius: Vilniaus universiteto leidykla, 2004. – 242 p.