Travaux de laboratoire 230DÉTERMINATION DE LA COMPOSANTE HORIZONTALE DE L'INTENSITÉ DU CHAMP MAGNÉTIQUE TERRE Partie théoriqueI. Éléments du magnétisme terrestre. La Terre est un énorme aimant sphérique. En tout point de l'espace entourant la Terre et à sa surface, l'action des forces magnétiques est détectée, c'est-à-dire un champ magnétique est créé, semblable au champ dipôle magnétique« av » placé au centre de la Terre (Fig. I). Les pôles magnétiques de la Terre se trouvent à proximité des pôles géographiques : près du pôle géographique nord C se trouve un sud magnétique S, et près du sud géographique U "nord magnétique N. Le champ magnétique terrestre à l'équateur magnétique est dirigé horizontalement (point B), et aux pôles magnétiques, il est dirigé verticalement (point A ). En d'autres points de la surface terrestre, le champ magnétique terrestre est corrigé selon un certain angle par rapport à la surface (point K). champ magnétique La Terre peut être tracée à l'aide d'une aiguille magnétique. Si vous accrochez la flèche à un fil de manière à ce que le point de suspension coïncide avec le centre de gravité, alors elle sera installée dans le sens de la tangente à ligne électrique Le champ magnétique terrestre. Familiarisez-vous avec les bases de la théorie de Maxwell, ses propriétés ondes électromagnétiques et le mécanisme de propagation des ondes électromagnétiques dans une ligne à deux fils. Le magnétisme est une branche de la physique qui étudie l'interaction entre les courants électriques, entre les courants et les aimants (corps ayant un moment magnétique) et entre les aimants. Interaction de deux conducteurs parallèles avec le courant. Les lois de Biot-Savart-Laplace et d'Ampère sont utilisées pour déterminer la force d'interaction entre deux conducteurs parallèles avec du courant. Flux vectoriel d'induction magnétique. Théorème de Gauss pour le champ magnétique. Moments magnétiques des atomes. Pour description complète la connaissance des atomes est nécessaire mécanique quantique, que nous étudierons plus tard. Cependant Propriétés magnétiques les substances sont bien expliquées en utilisant des méthodes simples et claires modèle planétaire atome, proposé par E. Rutherford. Magnétisation d'une substance. Auparavant, nous supposions que les fils transportant du courant et créant un champ magnétique se trouvaient dans le vide. Si les fils se trouvent dans n’importe quel environnement, l’ampleur du champ magnétique qu’ils créent changera. Types d'aimants. Faisons une expérience avec un champ magnétique puissant créé, par exemple, par un solénoïde. Un solénoïde (un cylindre entouré d'un fil enroulé autour duquel circule le courant) peut créer en lui-même un champ magnétique 100 000 fois supérieur au champ magnétique terrestre. Nous placerons dans un tel champ magnétique diverses substances et observez comment la force du champ magnétique agit sur eux. Résultats qualitatifs expériences similaires s'avèrent assez variés. Structure de domaine des ferromagnétiques. Théorie classique le ferromagnétisme a été développé physicien français P. Weissom (1907). Selon cette théorie, tout le volume d'un échantillon ferromagnétique, situé à une température inférieure au point de Curie, est divisé en petites zones - domaines - qui sont spontanément magnétisées jusqu'à saturation. Loi fondamentale de l'induction électromagnétique. Le plus grand physicien Michael Faraday, au XIXe siècle, croyait qu'entre l'électricité et phénomènes magnétiques il y a une relation étroite. Ampère, Biot et d'autres scientifiques ont découvert un côté de cette relation que nous connaissons déjà, à savoir : action magnétique actuel Le phénomène d'induction mutuelle Théorie de Maxwell pour le champ électromagnétique. Dans les années 60 années XIX centenaire D.K. Maxwell, ayant pris connaissance des travaux de Faraday, décida de donner une forme mathématique à la théorie de l'électricité et du magnétisme. Résumer les lois établies expérimentalement – loi du courant total, loi induction électromagnétique et le théorème d'Ostrogradsky-Gauss, - Maxwell a donné image complète Champ électromagnétique Deuxième équation de Maxwell. Maxwell a introduit le concept de courant total. Densité totale de courant Le plan vertical dans lequel se situe la flèche est appelé plan du méridien magnétique. Tous les plans des méridiens magnétiques se coupent le long de la droite NS, et les traces des méridiens magnétiques à la surface de la Terre convergent aux pôles magnétiques N et S. L'angle formé par les plans des méridiens magnétiques et géographiques est appelé angle de déclinaison (en Fig. 1 - angle β). L'angle formé par la direction du champ magnétique terrestre et, est appelé angle d'inclinaison (sur la figure 2 - angle α). Le vecteur d'intensité du champ magnétique terrestre peut être décomposé en deux composantes : horizontale et verticale. La figure 2 montre la position de l'aiguille magnétique NS suspendue à un fil L dans le champ magnétique terrestre. La direction de l’extrémité nord N de la flèche coïncide avec la direction de l’intensité du champ magnétique terrestre. Le plan du dessin coïncide avec le plan du méridien magnétique. Connaissance des angles de déclinaison et la déclinaison, ainsi que la composante horizontale, permettent de déterminer l'ampleur et la direction de la force du champ magnétique terrestre en un certain point de la surface. La composante horizontale, l'angle de déclinaison β et l'angle d'inclinaison α sont les principaux éléments du magnétisme terrestre. Au fil du temps, tous les éléments du magnétisme terrestre, ainsi que la position des pôles magnétiques, changent. L’origine du magnétisme terrestre n’est actuellement pas entièrement comprise. Selon les dernières hypothèses, le champ magnétique terrestre est associé aux courants circulant à la surface du noyau terrestre, ainsi qu'à la magnétisation. rochers. 2. Méthode du galvanomètre tangent. Si l'aiguille magnétique ne peut tourner qu'autour d'un axe vertical, elle sera alors installée sous l'influence de la composante horizontale du champ magnétique terrestre dans le plan du méridien magnétique. Cette propriété d'une aiguille magnétique est utilisée dans un galvanomètre tangent. Considérons un conducteur circulaire de N spires, étroitement adjacentes les unes aux autres, situées verticalement dans le plan du méridien magnétique. Au centre du conducteur on place une aiguille magnétique qui peut tourner autour axe vertical. Si un courant I traverse la bobine, alors un champ magnétique apparaît avec une intensité perpendiculaire au plan des spires de la bobine (Fig. 3). Dans ce cas, deux champs magnétiques perpendiculaires entre eux agiront sur l'aiguille magnétique N1 S1 : la composante horizontale du champ magnétique terrestre et le champ magnétique actuel. La figure 3 montre des sections d'une spire de bobine (A et B) dans un plan horizontal. Dans la section A, le courant est dirigé « à l’extérieur » du plan de dessin, perpendiculairement à celui-ci. En combinaison, le courant est dirigé au-delà du plan de dessin et perpendiculaire à celui-ci. Les courbes en pointillés expriment les lignes de champ magnétique du courant. La flèche NS montre la direction du méridien magnétique. Figure 3

Les principales caractéristiques du champ magnétique terrestre, appelées éléments du magnétisme terrestre, comprennent : les composantes d'intensité (Нт), horizontale (Н) et verticale (Z) du vecteur d'intensité totale Нт, déclinaison magnétique(D) et inclinaison (I). La direction du vecteur tension totale détermine la direction des lignes de force magnétiques, c'est-à-dire les lignes en chaque point desquelles le vecteur Нт leur est dirigé tangentiellement. La déclinaison magnétique est l'angle entre la direction du méridien géographique et le vecteur H (ou la direction du méridien magnétique). Si l'aiguille magnétique s'écarte vers la droite du méridien géographique, alors la déclinaison est dite orientale (ou positive), si vers la gauche, alors la déclinaison sera occidentale (négative). L'inclinaison est l'angle entre le plan horizontal et le vecteur tension totale N t. La valeur de I varie de –90 0 ( Hémisphère sud) à +90 0 ( Hémisphère Nord Ainsi, lorsque le vecteur Нt est dirigé vers la surface de la Terre, l'inclinaison est considérée comme positive et, depuis la Terre vers le haut, négative.

Les éléments du magnétisme terrestre sont mesurés en divers points du globe lors de relevés magnétiques sur terre, dans les mers, les océans et l'atmosphère. Le premier levé magnétique en Russie a été réalisé en 1586 à l'embouchure de la rivière Pechora. En 1917, il y avait déjà 8 000 enquêtes ; dans la période 1931 – 1936 Un levé magnétique général a été réalisé, au cours duquel 12 000 mesures ont été effectuées. En 1950, le nombre de points magnétométriques atteignait 26 000. Les résultats des mesures sont présentés sous forme de cartes magnétiques, qui reflètent la répartition spatiale de n'importe quel élément (H, Z, D, I) en isolignes. La première carte a été construite par Halley (1700). Les cartes sont construites pour les régions et le globe dans son ensemble à un moment donné, le milieu de l'année (1er juillet) a été choisi comme tel - c'est ainsi. appelée époque magnétique. Les cartes du monde sont construites par l'Angleterre, la Russie et les États-Unis. Outre les cartes, un catalogue de données magnétiques est en cours d'élaboration.

Les isolignes des valeurs D sont appelées isogones. La carte des isogones ressemble au tracé des méridiens : les isogones émergent d'une zone et convergent dans une autre, presque opposée. La différence avec les méridiens, qui convergent près des pôles, est que dans chaque hémisphère il existe deux zones de convergence des isogones : l'une est le pôle magnétique, l'autre est le pôle géographique. Là, les valeurs D varient entre ±180 0.

Lignes valeurs égales I – isoclines. Les cartes isocliniques sont une famille de courbes latitudinales. L'isocline zéro (équateur magnétique) fait le tour Terre près de l'équateur, en s'en éloignant de 15 0 dans la région de l'Amérique du Sud Dans la région du pôle magnétique sud (hémisphère nord) I = +90 0, dans la région du pôle magnétique nord (hémisphère sud) I =. -90 0.

Les lignes de valeurs égales de H et Z sont des isodines. Les cartes isodyne (Z) répètent les cartes isoclines : à l'équateur magnétique Z = 0 ; aux pôles Z = N t = 48-55 A/m. Les valeurs de la composante horizontale Нт – Н varient de Н = 0 aux pôles à Н = 32 A/m à l'équateur magnétique, où Н = Нт.

Les cartes isopore montrent le taux de déplacement de tout EEM. La période de circulation complète du MPZ est d'environ 2 mille ans.

La Terre dans son ensemble est un aimant sphérique dont les pôles se situent à proximité des pôles géographiques : près du pôle géographique nord se trouve un pôle magnétique sud S (~ 11,5º par rapport à l'axe de rotation de la Terre), et près du pôle géographique sud là est un pôle magnétique nord N. Les pôles magnétiques dérivent, vraisemblablement le pôle magnétique sud vers le nord-ouest.

L'angle entre le méridien géographique et magnétique s'appelle déclinaison magnétique β (Fig. 1).

Le vecteur d'intensité totale (induction magnétique B=μ 0 H) est dirigé tangentiellement aux lignes de force du champ magnétique terrestre. Une aiguille magnétique suspendue à un fil est orientée dans la direction du vecteur de l'intensité totale du champ magnétique terrestre, qui peut être décomposé en deux composantes : horizontale H g et verticale H b (Fig. 4).

Le rapport entre les composantes horizontale et verticale dépend de localisation géographique. Plus on se rapproche du nord, plus la flèche est raide. Par conséquent, pour caractériser le champ magnétique terrestre, un angle est introduit α – angle d'inclinaison.

Une aiguille magnétique, qui ne peut tourner qu'autour d'un axe vertical, ne s'écartera que sous l'influence du vecteur H r, se stabilisant dans le plan du méridien magnétique. Cette propriété de l’aiguille magnétique est utilisée dans les boussoles.

Ainsi, pour caractériser le champ magnétique terrestre, on utilise :

1. Déclinaison magnétique β

2. Angle d'inclinaison α

3. Composante horizontale du champ magnétique terrestre H g :

N g = Нcosα ou B g = Bcosα

Méthodologie de mesure de H horizontale (H g) et verticale dans les composantes du champ magnétique terrestre.

Les grandeurs caractérisant le champ magnétique terrestre peuvent être mesurées par deux méthodes.

1)La méthode de la boussole tangente permet de déterminer la composante horizontale du champ magnétique H g .

Une boussole est placée à l’intérieur de la bobine. Le plan de la bobine est placé dans le plan du méridien magnétique, c'est-à-dire le long de l’aiguille magnétique de la boussole. Lorsque le courant traverse une bobine, un champ magnétique y est créé perpendiculaire au plan les bobines et l’aiguille de la boussole sont orientées dans la direction du champ magnétique résultant.

La figure 5 montre la section transversale de la bobine.

Intensité du champ magnétique au centre d'un courant circulaire , et au centre d'une bobine circulaire avec courant, en tenant compte du nombre de tours :

De la figure 5, il s'ensuit que , Alors:

.

Après différenciation logarithmique de cette formule, on obtient une formule de calcul de l'erreur

(2)

il s'ensuit que l'erreur sera minime si péché 2α =1 c'est à dire α =45°. Cela signifie que vous devez choisir une intensité de courant dans le circuit telle que la déviation de l'aiguille magnétique soit proche de 45°, puis

Où N– nombre de tours de bobine, N=400 tours ; R. – rayon moyen des bobines, R.=35mm.

2) Une méthode utilisant le phénomène d'induction électromagnétique permet de déterminer les composantes horizontale H g et verticale H de l'induction du champ magnétique terrestre.

L'installation se compose d'un inducteur (Fig. 1) et d'un appareil de mesure qui calcule la valeur moyenne du débit FEM induite qui se produit dans la bobine lorsqu'elle tourne.

L'induction magnétique B g et B b est déterminée par la formule.

où S est l'aire de la bobine.

Si le châssis sur lequel la bobine est montée est installé horizontalement, alors (l'axe de rotation de la bobine est horizontal) l'appareil de mesure mesure le débit<E i Δt> créé par la composante verticale B in.

Si le cadre est installé verticalement, l'appareil de mesure mesure le débit<E i Δt> créé par la composante horizontale B g.

Parce que en l'absence de milieu, l'induction magnétique et l'intensité du champ magnétique sont liées par la relation :

où - constante magnétique = 4 10 -7 H/m.

§ 15. Magnétisme terrestre et ses éléments. Cartes magnétiques

La position des pôles magnétiques ne reste pas inchangée ; leurs coordonnées changent lentement. Les coordonnées approximatives des pôles magnétiques en 1950 étaient les suivantes :

Nord - φ ~ 76°N ; L ~ 96°O ;

Sud - φ ~ 75°S ; L ~ 150° O st.

L'axe magnétique de la Terre est une ligne droite reliant pôles magnétiques, passe à l'extérieur du centre de la Terre et fait approximativement un angle d'environ 1G,5 avec son axe de rotation.

La force du champ magnétique terrestre est caractérisée par le vecteur d'intensité T, qui en tout point du champ magnétique terrestre est dirigé de manière tangente aux lignes de force. En figue. 18, la force du magnétisme terrestre au point A est représentée par l'amplitude et la direction du vecteur AF. Le plan vertical NmAZF, dans lequel se trouve le vecteur AF, et donc l'axe de l'aiguille magnétique librement suspendue, est appelé plan du méridien magnétique. Ce plan fait un angle RAS avec le plan du vrai méridien NuAZM, appelé déclinaison magnétique et désigné par la lettre d.

Riz. 18.

L'angle NmAF formé par le vecteur AF avec le plan de l'horizon vrai NuAH est appelé inclinaison magnétique et est désigné par la lettre v.

L'inclinaison magnétique est mesurée à partir du plan horizontal vers le bas, de 0 à 90° et est considérée comme positive si l'extrémité nord de l'aiguille magnétique est abaissée, et négative si l'extrémité sud est abaissée.

Points sur la surface de la terre, dans lequel le vecteur T est dirigé horizontalement, forme une ligne fermée qui traverse deux fois équateur géographique et j'ai appelé équateur magnétique. Pleine puissance le magnétisme terrestre - vecteur T - peut être décomposé en composantes horizontales H et verticales Z dans le plan du méridien magnétique. De la fig. 18 nous avons :

H = TcosO, Z=TsinO ou Z = HtgO.

Les quantités d, H, Z et O qui déterminent le champ magnétique terrestre en un point donné sont appelées éléments du magnétisme terrestre.

La répartition des éléments du magnétisme terrestre sur la surface du globe est généralement représentée sur cartes spéciales sous la forme de lignes courbes reliant des points ayant la même valeur d'un élément particulier. De telles lignes sont appelées isolignes. Courbes de déclinaison magnétique égale - isogones mettre les isogones sur les cartes (Fig. 19) ; courbes reliant les points égaux tension magnétique, appelé isodynes, ou isodynamique. Courbes reliant des points d'inclinaison magnétique égale - isoclines, tracer les isoclines sur des cartes.

Riz. 19.

Tous les éléments du magnétisme terrestre, en tout point de la surface terrestre, sont sujets à des changements appelés variations. Les changements dans les éléments du magnétisme terrestre sont divisés en périodiques et non périodiques (ou perturbations).

Les changements périodiques comprennent les changements séculaires, annuels (saisonniers) et quotidiens. Parmi celles-ci, les variations journalières et annuelles sont faibles et ne sont pas prises en compte pour la navigation. Les variations séculaires sont un phénomène complexe qui s'étend sur plusieurs siècles. L'ampleur du changement séculaire de la déclinaison magnétique varie en différents points de la surface de la Terre dans la plage de 0 à 0,2-0,3° par an. Par conséquent, sur les cartes marines, la déclinaison magnétique de la boussole est réduite à une année spécifique, indiquant le montant de l'augmentation ou de la diminution annuelle.

Pour ajuster la déclinaison à l'année de navigation, il faut calculer son évolution sur le temps écoulé et utiliser la correction obtenue pour augmenter ou diminuer la déclinaison indiquée sur la carte dans la zone de navigation.

Exemple 18. Le voyage a lieu en 1968. La déclinaison de la boussole, tirée de la carte, d = 11°, 5 O st est donnée à 1960. L'augmentation annuelle de la déclinaison est de 5". Réduire la déclinaison à 1968.

Solution. La période de 1968 à 1960 est de huit ans ; changement Ad = 8 x 5 = 40" ~0°.7. Déclinaison de la boussole en 1968 d = 11°.5 + 0°.7 = - 12°, 2 O st

Les changements soudains à court terme des éléments du magnétisme terrestre (perturbations) sont appelés orages magnétiques, dont l'apparition est déterminée par les aurores boréales et le nombre de taches solaires. Parallèlement, des changements de déclinaison sont observés sous les latitudes tempérées jusqu'à 7°, et sous régions polaires- jusqu'à 50°.

Dans certaines zones de la surface terrestre, la déclinaison diffère fortement en ampleur et en signe de ses valeurs aux points adjacents. Ce phénomène est appelé anomalie magnétique. Les cartes marines indiquent les limites des zones d'anomalies magnétiques. Lorsque vous naviguez dans ces zones, vous devez être très attentif au fonctionnement compas magnétique, car la précision du travail est altérée.

Éléments du magnétisme terrestre

La Terre dans son ensemble est un énorme aimant sphérique. En tout point de l'espace entourant la Terre et sa surface, l'action de lignes de force magnétiques est détectée. En d'autres termes, un champ magnétique est créé dans l'espace entourant la Terre, dont les lignes de force sont représentées sur la figure 19.1. Le pôle magnétique nord est situé au pôle géographique sud et le pôle magnétique sud est situé au nord. Le champ magnétique terrestre est dirigé horizontalement vers l'équateur et verticalement vers les pôles magnétiques. En d’autres points de la surface terrestre, le champ magnétique terrestre est dirigé selon un certain angle.

L’existence d’un champ magnétique en tout point de la Terre peut être établie à l’aide d’une aiguille magnétique. Si vous accrochez une aiguille magnétique N.-É. sur un fil L(Fig. 19.2) pour que le point de suspension coïncide avec le centre de gravité de la flèche, alors la flèche sera installée dans la direction de la tangente à la ligne de force du champ magnétique terrestre. Dans l'hémisphère nord, l'extrémité sud sera inclinée vers la Terre et l'axe de la flèche fera un angle d'inclinaison avec l'horizon. q(à l'équateur magnétique l'inclinaison est de 0). Le plan vertical dans lequel se situe l’axe de la flèche est appelé plan du méridien magnétique. Tous les plans des méridiens magnétiques se coupent en ligne droite N.-É., et les traces de méridiens magnétiques à la surface de la Terre convergent vers les pôles magnétiques N Et S. Puisque les pôles magnétiques ne coïncident pas avec pôles géographiques, alors l'axe de la flèche s'écartera du méridien géographique.

Champ magnétique du courant circulaire

Selon la théorie, l'intensité du champ magnétique au centre À PROPOS, créé par l'élément length dl tour circulaire rayon R., à travers lequel circule le courant je, peut être déterminé par la loi Biot-Savart-Laplace

Et enregistrement vectoriel cette loi ressemble à

Dans cette expression : r– module du rayon vecteur tiré de l’élément conducteur dl au point de terrain concerné ; 1/4 p- coefficient de proportionnalité pour écrire la formule dans le système d'unités SI.

Dans l'exemple considéré, le rayon vecteur est perpendiculaire à l'élément courant, et en module égal au rayon tourne, donc

Le vecteur d'intensité du champ magnétique est dirigé perpendiculairement au plan de dessin dans lequel se trouvent les vecteurs et et est orienté selon la règle de la vrille.