ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12. Выполнил студент -------------------------, группа -------------, дата -------.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯЗЕМЛИ

Выполнил студент -------------------------, группа -------------, дата -------.

Допуск ______________

Выполнение __________

Зачет ________________

Цель работы: определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.

Приборы и материалы

№ п\п	Наименование прибора	Класс точности	Цена деления	Предел измерения	Точность отсчета
	Источник постоянного тока	–	–	–	–
	Реостат	–	–	–	–
	Тангенс-буссоль	–
	Миллиамперметр

 

Теоретические сведения

Основные понятия и законы

1.1. Магнитное поле и его характеристики

Магнитное поле – одна из форм электромагнитного поля, релятивистский эффект электрического поля.

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем (током смещения), или собственными магнитными моментами частиц.

Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция и напряженность.

Механическое действие, которое магнитное поле оказывает на другие тела, можно характеризовать вектором силы, а само поле – векторной физической величиной, называемой магнитной индукцией, которая позволяет определить эту силу. Магнитная индукция обозначается буквой , измеряется в теслах (Тл).

Индукция магнитного поля – векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

1Тл – индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

Магнитная индукция является основной силовой характеристикой магнитного поля. Индукция магнитного поля может быть определена в любой точке пространства и в любой момент времени:

.

Направление вектора магнитной индукции задается направлением магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля. Оно совпадает с направлением, которое указывает северный полюс стрелки (рис. 1).

Рис.1.

Модуль вектора можно определить с помощью силы, действующей на движущийся свободный заряд или проводник с током, где заряды перемещаются вдоль проводника, а также с помощью момента сил, действующих на рамку, по которой течет ток (рис. 2).

Рис. 2.

Магнитное поле в макроскопическом описании представлено двумя различными векторными полями, обозначаемыми, как и , где – напряженность, – индукция магнитного поля.

Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим выражением:

, А/м,

где – магнитная постоянная, – безразмерная величина – магнитная проницаемость среды, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в среде больше индукции в вакууме (в вакууме ):

Магнитная проницаемость зависит только от свойств среды, в которой создаётся магнитное поле.

Напряженность не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Однако, вектор является важной, но вспомогательной характеристикой магнитного поля. Основной характеристикой магнитного поля всё же является вектор .

1.2. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли (геомагнитное поле или магнитосфера) – магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками; предмет изучения геомагнетизма.

Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70 – 80 тысяч км в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении (рис. 3).

Рис. 3.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита (рис. 4).

Рис. 4.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения (сила Лоренца), направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет.

 

Гипотеза о природе магнитного поля Земли

Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре: земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей; вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, – теория динамо-эффекта – предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25 – 0,3 радиуса Земли.

Строение магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный хвост. Конфигурация магнитосферы определяется взаимодействием с солнечным ветром – потоком заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она укорочена и простирается на 8 – 14 радиусов Земли, с ночной – вытянута, образуя, так называемый, магнитный хвост планеты длиной в несколько сот радиусов Земли.

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Эта область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Магнитное поле Земли охватывает все оболочки Земли и околопланетное пространство. Поле обусловлено действием постоянных источников, расположенных внутри Земли, которые испытывают медленные (вековые) изменения (вариации), и переменных источников, находящихся в верхних слоях атмосферы. Соответственно различают основное, или главное (магнитное поле Земли 99 %), и переменное (магнитное поле Земли́ 1 %) магнитные поля.

Основное магнитное поле неоднородно, его напряжённость уменьшается от 55,7 у магнитных полюсов до 33,4 А/м у магнитного экватора, которые не совпадают в пространстве с географическими полюсами и экватором. Отклонения действительных значений магнитного поля в данной точке от расчётного, или нормального, называют магнитными аномалиями. Различают мировые аномалии глубинного происхождения (Восточно – Сибирская, Бразильская и др.), региональные и локальные. Последние могут быть вызваны скоплением магнитных горных пород, например, железных руд ( Курская магнитная аномалия ).

Из-за постоянного смещения магнитных аномалий (к западу со скоростью около 0,2 в год), вековых вариаций поля возникает необходимость заново составлять магнитные карты, которые играют важную роль в морской и воздушной навигации, в геодезии и маркшейдерском деле. С этой целью проводятся магнитные съёмки на суше, в океанах, в воздушном и космическом пространстве. Исследования показывают, что направление основного магнитного поля Земли в прошлом многократно изменялось на противоположное. Последнее такое изменение имело место около 0,7 млн. лет назад.

Переменное геомагнитное поле связано с обтеканием магнитосферы плазмой солнечного ветра и прорывом заряженных частиц в магнитосферу. Это приводит к её сжатию с дневной стороны и формированию магнитного хвоста с противоположной. Изменение интенсивности электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли вызывает колебания частот и амплитуд магнитного поля, которые могут быть периодическими (солнечно-суточными и лунно-суточными), магнитными вариациями либо неправильными – так называемыми, магнитными возмущениями. Если последние охватывают всю Землю и продолжаются несколько дней, их называют мировыми магнитными бурями, они сопровождаются полярными сияниями, ионосферными возмущениями и др. явлениями.

Параметры земного магнитного поля

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 40 А/м и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе меньше, чем у магнитных полюсов. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий, например, курская магнитная аномалия) напряжённость резко возрастает. Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял , уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 1/4000 в год.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

Изменения магнитного поля Земли

Магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. За предыдущие 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 г. его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 г. – более 150 км. Хотя эти данные расчётные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007-го года, скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 60 км/год в 2004-м году.

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах – например, в южной части Атлантического океана, – на 10 процентов. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов, позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 90-ых годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок.

В прошлом инверсии магнитных полюсов происходили многократно и жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой ценой. Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время перестановки полюсов магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток космических лучей, что представляет опасность для обитателей суши и тем большую, если исчезновение магнитосферы будет сопряжено с истощением озонового слоя. Обнадёживает тот факт, что во время инверсии магнитного поля Солнца, произошедшего в марте 2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было. Полный цикл обращения магнитного поля Солнца составляет 22 года.

1.3. Величины, характеризующие магнитное поле Земли

В первом приближении магнитное поле Земли аналогично полю, создаваемому однородно намагниченной сферой (шаром). Рисунок 5 представляет сечение Земли.

Рис.5.

Так как магнитные и географические полюса Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно.

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.

Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, тогда прямая, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, и есть магнитный меридиан.

Угол между направлением магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением (рис.6). Величина его меняется от места к месту на земном шаре.

Рис. 6.

Магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу или востоку от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки (рис.6). Часто восточное Е склонение отмечают знаком , а западное – знаком .

Вообще говоря, силовые линии магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Поскольку вектор напряженности магнитного поля направлен по касательной к силовой линии в данной точке, то, за исключением района магнитного экватора, он не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называют магнитным наклонением (рис.7).

Вектор напряженности в таком случае можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие– горизонтальную и вертикальную .

В северном полушарии вертикальная составляющая магнитного поля направлена вниз, в южном полушарии – вверх.

Рис. 7.

Величина магнитного наклонения в разных местах Земли различна. Вблизи Санкт-Петербурга угол наклонения составляет около и напряженность магнитного поля . Напряженность геомагнитного поля убывает от магнитных полюсов к экватору и равна .

Таким образом, три величины – склонение, наклонение и численное значение горизонтальной составляющей напряженности полностью характеризуют по величине и направлению магнитное поле Земли в данном месте. Эти три величины называют элементами земного магнитного поля. Из элементов Земного магнитного поля на практике наиболее удобно измерять именно горизонтальную составляющую напряженности (индукции).