Laboratoriniai darbai 230ŽEMĖS MAGNETINIO LAUKO STIPRIO HORIZONTALIOJO KOMPONENTĖS NUSTATYMAS Teorinė dalisI. Žemės magnetizmo elementai. Žemė yra didžiulis sferinis magnetas. Bet kuriame Žemę supančios erdvės ir jos paviršiaus taške aptinkamas magnetinių jėgų veikimas, t.y. sukuriamas magnetinis laukas, panašus į lauką magnetinis dipolis„av“, patalpintas Žemės centre (I pav.). Žemės magnetiniai poliai yra šalia geografinių polių: prie šiaurinio geografinio poliaus C yra pietinis magnetinis S, o prie pietų geografinio U "šiaurinis magnetinis N. Žemės magnetinis laukas ties magnetiniu pusiauju nukreiptas horizontaliai (taškas B), o į magnetinius polius nukreiptas vertikaliai (taškas A ). magnetinis laukasŽemę galima atsekti naudojant magnetinę adatą. Jei pakabinsite rodyklę ant sriegio taip, kad pakabos taškas sutaptų su svorio centru, tada ji bus sumontuota liestinės kryptimi elektros linijaŽemės magnetinis laukas. Susipažinkite su Maksvelo teorijos pagrindais, savybėmis elektromagnetines bangas ir elektromagnetinių bangų sklidimo dviejų laidų linijoje mechanizmas Magnetizmas – fizikos šaka, tirianti elektros srovių, srovių ir magnetų (magnetinį momentą turinčių kūnų) ir magnetų sąveiką. Dviejų lygiagrečių laidininkų sąveika su srove. Bioto-Savarto-Laplaso ir Ampero dėsniai naudojami dviejų sąveikos jėgai nustatyti lygiagrečiai laidininkai su srove. Magnetinės indukcijos vektoriaus srautas. Gauso teorema magnetiniam laukui. Magnetiniai atomų momentai. Už pilnas aprašymas reikia atominių žinių kvantinė mechanika atomas, pasiūlė E. Rutherfordas. Medžiagos įmagnetinimas. Anksčiau manėme, kad laidai, pernešantys srovę ir sukuriantys magnetinį lauką, yra vakuume. Jei laidai yra bet kokioje aplinkoje, tada jų sukuriamo magnetinio lauko dydis pasikeis. Magnetų tipai. Atlikime eksperimentą su stipriu magnetiniu lauku, kurį sukuria, pavyzdžiui, solenoidas. Solenoidas (cilindras, aplink jį apvyniotas laidas, kuriuo teka srovė) gali sukurti savyje magnetinį lauką, kuris yra 100 000 kartų didesnis už Žemės magnetinį lauką. Mes patalpinsime į tokį magnetinį lauką įvairių medžiagų ir stebėti, kaip juos veikia magnetinio lauko jėga. Kokybiniai rezultatai panašių išgyvenimų pasirodo gana įvairios. Feromagnetų srities struktūra. Klasikinė teorija buvo sukurtas feromagnetizmas prancūzų fizikas P. Weissomas (1907). Remiantis šia teorija, visas feromagnetinio mėginio tūris, esantis žemesnėje nei Curie taško temperatūroje, yra padalintas į mažus plotus – domenus, kurie spontaniškai įmagnetinami iki prisotinimo. Pagrindinis elektromagnetinės indukcijos dėsnis. Didžiausias fizikas XIX amžiuje Michaelas Faradėjus manė, kad tarp elektros ir magnetiniai reiškiniai yra artimi santykiai. Ampere'as, Biotas ir kiti mokslininkai išsiaiškino vieną mums jau pažįstamų santykių pusę, būtent - magnetinis veiksmas srovė Abipusės indukcijos reiškinys Maksvelo teorija elektromagnetiniam laukui. 60-aisiais metų XIX šimtmečio D.K. Maxwellas, susipažinęs su Faradėjaus darbais, nusprendė elektros ir magnetizmo teorijai suteikti matematinę formą. Apibendrinant nustatytus įstatymus eksperimentiškai – visuminės srovės dėsnis, dėsnis, vadinamas polinkio kampu (2 pav. - kampas α Žemės magnetinio lauko stiprumo vektorius gali būti išskaidytas į du komponentus: horizontalųjį ir vertikalųjį). 2 paveiksle parodyta magnetinės adatos NS, pakabintos ant sriegio L, padėtis Žemės magnetiniame lauke. Rodyklės šiaurinio galo N kryptis sutampa su Žemės magnetinio lauko stiprumo kryptimi. Brėžinio plokštuma sutampa su magnetinio dienovidinio plokštuma. Deklinacijos kampų išmanymas ir deklinacija, kaip ir horizontalioji dedamoji, leidžia nustatyti Žemės magnetinio lauko stiprumo dydį ir kryptį tam tikrame paviršiaus taške. Horizontalusis komponentas, deklinacijos kampas β ir polinkio kampas α yra pagrindiniai antžeminio magnetizmo elementai. Laikui bėgant keičiasi visi žemės magnetizmo elementai, taip pat magnetinių polių padėtis. Šiuo metu žemės magnetizmo kilmė nėra visiškai suprantama. Pagal naujausias hipotezes, Žemės magnetinis laukas yra susijęs su srovėmis, cirkuliuojančiomis Žemės šerdies paviršiumi, taip pat su įmagnetinimu. akmenys. 2. Tangentinio galvanometro metodas. Jei magnetinė adata gali suktis tik aplink vertikalią ašį, ji bus išdėstyta horizontaliojo Žemės magnetinio lauko komponento įtakoje magnetinio dienovidinio plokštumoje. Ši magnetinės adatos savybė naudojama tangentiniame galvanometre. Panagrinėkime N posūkių apskritą laidininką, glaudžiai besiribojantį vienas su kitu, kurie yra vertikaliai magnetinio dienovidinio plokštumoje. Laidininko centre įdedame magnetinę adatą, kuri gali suktis aplinkui vertikalioji ašis. Jei per ritę praeina srovė I, tada atsiranda magnetinis laukas, kurio intensyvumas yra statmenas ritės posūkių plokštumai (3 pav.). Tokiu atveju magnetinę adatą N1 S1 veiks du tarpusavyje statmeni magnetiniai laukai: horizontalioji Žemės magnetinio lauko dedamoji ir srovės magnetinis laukas. 3 paveiksle pavaizduotos ritės posūkio (A ir B) dalys horizontalioje plokštumoje. A sekcijoje srovė nukreipta "už" piešimo plokštumos, statmena jai. Kartu srovė nukreipta už piešimo plokštumos ir statmenai jai. Taškinės kreivės išreiškia srovės magnetinio lauko linijas. Rodyklė NS rodo magnetinio dienovidinio kryptį. 3 pav

Pagrindinės Žemės magnetinio lauko charakteristikos, vadinamos antžeminio magnetizmo elementais, yra: intensyvumas (Нт), horizontalios (Н) ir vertikalios (Z) bendro intensyvumo vektoriaus Нт, magnetinė deklinacija(D) ir polinkis (I). Suminio įtempimo vektoriaus kryptis lemia magnetinių jėgos linijų kryptį, t.y. linijų, kurių kiekviename taške vektorius Нт yra nukreiptas į jas liestine. Magnetinė deklinacija yra kampas tarp geografinio dienovidinio krypties ir vektoriaus H (arba magnetinio dienovidinio krypties). Jei magnetinė adata nukrypsta į dešinę nuo geografinio dienovidinio, tada deklinacija vadinama rytine (arba teigiama), jei į kairę, tada deklinacija bus vakarinė (neigiama). Pasvirimas yra kampas tarp horizontalios plokštumos ir bendro įtempimo vektoriaus N t. I reikšmė svyruoja nuo –90 0 (. Pietų pusrutulis) iki +90 0 ( Šiaurės pusrutulis Taigi, vektoriui Ht nukreipus į Žemės paviršių, polinkis laikomas teigiamu, o nuo Žemės į viršų – neigiamu.

Antžeminio magnetizmo elementai matuojami įvairiuose Žemės rutulio taškuose atliekant magnetinius tyrimus sausumoje, jūrose, vandenynuose ir atmosferoje. Pirmasis magnetinis tyrimas Rusijoje buvo atliktas Pečoros upės žiotyse 1586 m. 1917 metais jau buvo atlikta 8000 apklausų; 1931–1936 m Buvo atliktas bendras magnetinis tyrimas, kurio metu atlikta 12 000 matavimų. Iki 1950 m. magnetometrinių taškų skaičius pasiekė 26 000 Matavimo rezultatai pateikiami magnetinių žemėlapių pavidalu, kurie atspindi bet kurio vieno elemento (H, Z, D, I) erdvinį pasiskirstymą. Pirmąjį žemėlapį pastatė Halley (1700 m. Žemėlapiai kuriami regionams ir visam Žemės rutui tam tikru momentu, tokiu momentu pasirinktas metų vidurys (liepos 1 d.) – tai toks. vadinama magnetine epocha. Pasaulio žemėlapius kuria Anglija, Rusija ir JAV. Be žemėlapių, rengiamas magnetinių duomenų katalogas.

D reikšmių izoliacijos vadinamos izogonais. Izogonų žemėlapis primena dienovidinių eigą: izogonai iškyla iš vienos srities ir susilieja į kitą, beveik priešingą. Skirtumas nuo dienovidinių, susiliejančių šalia ašigalių, yra tas, kad kiekviename pusrutulyje yra dvi izogonų konvergencijos sritys: vienas yra magnetinis polius, kitas - geografinis polius. Ten D vertės skiriasi ±180 0.

Linijos vienodos vertės I – izoklinos. Izoklininiai žemėlapiai yra platumos kreivių šeima. Nulinis izoklinas (magnetinis ekvatorius) eina aplink gaublys netoli pusiaujo, tolstant nuo jo 15 0 Pietų Amerikos regione Pietinio magnetinio poliaus srityje (Šiaurės pusrutulis) I = +90 0, Šiaurės magnetinio poliaus srityje (Pietų pusrutulis) I =. -90 0.

Lygios H ir Z reikšmės linijos yra izodinai. Izodino (Z) žemėlapiai kartoja izoklininius žemėlapius: ties magnetiniu pusiauju Z = 0; ties poliais Z = N t = 48-55 A/m. Horizontaliojo komponento Нт – Н reikšmės svyruoja nuo Н = 0 poliuose iki Н = 32 A/m prie magnetinio pusiaujo, kur Н = Нт.

Isoporų žemėlapiai rodo bet kurio EEM poslinkio greitį. Visiškas MPZ apyvartos laikotarpis yra maždaug 2 tūkstančiai metų.

Visa Žemė yra sferinis magnetas, kurio poliai yra šalia geografinių ašigalių: netoli šiaurinio geografinio ašigalio yra pietinis magnetinis polius S (~ 11,5º nuo Žemės sukimosi ašies), o šalia pietų geografinis ašigalis. yra šiaurinis magnetinis polius N. Magnetiniai poliai dreifuoja, manoma, kad pietinis magnetinis polius į šiaurės vakarus.

Kampas tarp geografinio ir magnetinio dienovidinio vadinamas magnetinė deklinacija β (1 pav.).

Bendrojo intensyvumo vektorius (magnetinė indukcija B=μ 0 H) nukreiptas tangentiškai į Žemės magnetinio lauko jėgos linijas. Ant sriegio pakabinta magnetinė adata nustatyta viso Žemės magnetinio lauko stiprumo vektoriaus kryptimi, kurį galima išskaidyti į du komponentus: horizontalųjį H g ir vertikalią H b (4 pav.).

Horizontalių ir vertikalių komponentų santykis priklauso nuo geografinė padėtis. Kuo arčiau šiaurės, tuo statesnė rodyklė nuleista žemyn. Todėl, norint apibūdinti Žemės magnetinį lauką, įvedamas kampas α – pasvirimo kampas.

Magnetinė adata, galinti suktis tik apie vertikalią ašį, nukryps tik veikiama vektoriaus H r, nusistojant magnetinio dienovidinio plokštumoje. Ši magnetinės adatos savybė naudojama kompasuose.

Taigi, norint apibūdinti Žemės magnetinį lauką, naudojami šie:

1. Magnetinė deklinacija β

2. Pasvirimo kampas α

3. Žemės magnetinio lauko H g horizontalioji dedamoji:

N g = Нcosα arba B g = Bcosα

Horizontaliojo (H g) ir vertikaliojo H matavimo Žemės magnetinio lauko dedamosiose metodika.

Žemės magnetinį lauką apibūdinantys dydžiai gali būti matuojami dviem būdais.

1)Tangentinio kompaso metodas leidžia nustatyti magnetinio lauko horizontalųjį komponentą H g .

Į ritės vidų įdedamas kompasas. Ritės plokštuma nustatoma magnetinio dienovidinio plokštumoje, t.y. palei magnetinę kompaso adatą. Kai srovė teka per ritę, joje susidaro magnetinis laukas statmenai plokštumai ritės ir kompaso adata nustatomi susidarančio magnetinio lauko kryptimi.

5 paveiksle parodytas ritės skerspjūvis.

Magnetinio lauko stipris apskritimo srovės centre , ir apskritos ritės su srove centre, atsižvelgiant į apsisukimų skaičių:

Iš 5 pav. matyti, kad , Tada:

.

Po šios formulės logaritminės diferenciacijos gauname formulę paklaidai apskaičiuoti

(2)

iš to seka, kad paklaida bus minimali, jei nuodėmė 2α =1 t.y. α =45°. Tai reiškia, kad grandinėje reikia pasirinkti tokį srovės stiprumą, kad magnetinės adatos nuokrypis būtų artimas 45° ir tada

Kur N- ritės apsisukimų skaičius, N=400 apsisukimų; R – vidutinis spindulys ritės, R= 35 mm.

2) Metodas, kuriame naudojamas elektromagnetinės indukcijos reiškinys, leidžia nustatyti horizontaliąsias H g ir vertikaliąsias Žemės magnetinio lauko indukcijos dedamąsias.

Įrenginys susideda iš induktoriaus (1 pav.) ir matavimo prietaiso, skaičiuojančio vidutinę debito vertę sukeltas emf kuri atsiranda ritėje, kai ji sukasi.

Magnetinė indukcija B g ir B b nustatoma pagal formulę.

kur S yra ritės plotas.

Jei rėmas, ant kurio sumontuota ritė, sumontuotas horizontaliai, tada (ritės sukimosi ašis yra horizontali) matavimo prietaisas matuoja srautą<E i Δt>, kurią sukuria vertikalus komponentas B in.

Jei rėmas sumontuotas vertikaliai, matavimo prietaisas matuoja srautą<E i Δt>, kurią sukuria horizontalioji dedamoji B g.

Nes nesant terpės, magnetinė indukcija ir magnetinio lauko stiprumas yra susiję su ryšiu:

kur - magnetinė konstanta = 4 10 -7 H/m.

§ 15. Žemės magnetizmas ir jo elementai. Magnetinės kortelės

Magnetinių polių padėtis nelieka nepakitusi, pamažu keičiasi jų koordinatės. Apytikslės magnetinių polių koordinatės 1950 m. buvo tokios:

Šiaurinė - φ ~ 76° šiaurės platumos; L ~ 96°W;

Pietūs - φ ~ 75°S; L ~ 150° O st.

Žemės magnetinė ašis yra tiesi linija, jungianti magnetiniai poliai, eina už Žemės centro ir sudaro maždaug 1G,5 kampą su savo sukimosi ašimi.

Žemės magnetinio lauko stiprumą apibūdina intensyvumo vektorius T, kuris bet kuriame Žemės magnetinio lauko taške yra nukreiptas liestinės jėgos linijų. Fig. 18 Žemės magnetizmo jėga taške A pavaizduota vektoriaus AF dydžiu ir kryptimi. Vertikali plokštuma NmAZF, kurioje yra vektorius AF, taigi ir laisvai pakibusios magnetinės adatos ašis, vadinama magnetinio dienovidinio plokštuma.Ši plokštuma sudaro kampą RAS su tikrojo dienovidinio NuAZM plokštuma, kuri vadinama magnetinė deklinacija ir žymimas raide d.

Ryžiai. 18.

Kampas NmAF, sudarytas vektoriaus AF su tikrojo horizonto NuAH plokštuma, vadinamas magnetinis polinkis ir žymimas raide v.

Magnetinis pokrypis matuojamas nuo horizontalios plokštumos žemyn nuo 0 iki 90° ir laikomas teigiamu, jei nuleidžiamas šiaurinis magnetinės adatos galas, ir neigiamas, jei nuleidžiamas pietinis.

Taškai ant žemės paviršiaus, kuriame vektorius T nukreiptas horizontaliai, sudaro uždarą liniją, kuri kerta du kartus geografinis pusiaujas ir paskambino magnetinis ekvatorius. Visa jėga antžeminis magnetizmas – vektorius T – magnetinio dienovidinio plokštumoje gali būti skaidomas į horizontalias H ir vertikalias Z komponentes. Iš pav. 18 turime:

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

Vadinami dydžiai d, H, Z ir O, lemiantys Žemės magnetinį lauką tam tikrame taške Žemės magnetizmo elementai.

Paprastai vaizduojamas antžeminio magnetizmo elementų pasiskirstymas Žemės rutulio paviršiuje specialūs žemėlapiai lenktų linijų, jungiančių taškus su ta pačia konkretaus elemento verte, pavidalu. Tokios linijos vadinamos izoliacijos. Vienodos magnetinės deklinacijos kreivės - izogonaižemėlapiuose įdėti izogonus (19 pav.); kreivės, jungiančios taškus su lygiomis magnetinė įtampa, paskambino izodinai, arba izodinamika. Kreivės, jungiančios vienodo magnetinio pokrypio taškus - izoklinos, pavaizduoti izoklines žemėlapiuose.

Ryžiai. 19.

Visi Žemės magnetizmo elementai bet kuriame žemės paviršiaus taške gali keistis, vadinami variacijomis. Antžeminio magnetizmo elementų pokyčiai skirstomi į periodinius ir neperiodinius (arba trikdžius).

Periodiniai pokyčiai apima pasaulietinius, metinius (sezoninius) ir kasdienius pokyčius. Iš jų dienos ir metiniai svyravimai yra nedideli ir į juos neatsižvelgiama atliekant navigaciją. Pasaulietinės variacijos yra sudėtingas reiškinys, trunkantis kelis šimtmečius. Pasaulietinio magnetinio deklinacijos pokyčio dydis skirtinguose žemės paviršiaus taškuose svyruoja nuo 0 iki 0,2-0,3° per metus. Todėl jūrlapiuose kompaso magnetinė deklinacija sumažinama iki konkrečių metų, nurodant metinio padidėjimo ar sumažėjimo dydį.

Norėdami koreguoti deklinaciją pagal navigacijos metus, turite apskaičiuoti jo pokytį per praėjusį laiką ir gautą pataisą padidinti arba sumažinti navigacijos srityje žemėlapyje nurodytą deklinaciją.

18 pavyzdys. Kelionė vyksta 1968 m. Kompaso deklinacija, paimta iš žemėlapio, d = 11°, 5 O st, pateikta 1960 m. Metinis deklinacijos padidėjimas yra 5". Sumažinkite deklinaciją iki 1968 m.

Sprendimas. Laikotarpis nuo 1968 iki 1960 metų yra aštuoneri metai; pokytis Ad = 8 x 5 = 40" ~0°.7. Kompaso deklinacija 1968 m. d = 11°.5 + 0°.7 = - 12°, 2 O st.

Staigūs trumpalaikiai žemės magnetizmo elementų pokyčiai (sutrikimai) vadinami magnetinės audros, kurios atsiradimą lemia šiaurės pašvaistė ir saulės dėmių skaičius. Tuo pačiu metu deklinacijos pokyčiai stebimi vidutinio klimato platumose iki 7°, o poliariniai regionai- iki 50°.

Kai kuriose žemės paviršiaus vietose deklinacija smarkiai skiriasi dydžiu ir ženklu nuo jo verčių gretimuose taškuose. Šis reiškinys vadinamas magnetine anomalija. Jūrų žemėlapiai nurodo magnetinių anomalijų sričių ribas. Plaukdami šiose vietose turite daug dėmesio skirti operacijai magnetinis kompasas, nes pablogėja darbo tikslumas.

Žemės magnetizmo elementai

Visa Žemė yra didžiulis sferinis magnetas. Bet kuriame Žemę ir jos paviršių supančios erdvės taške aptinkamas magnetinių jėgos linijų veikimas. Kitaip tariant, Žemę supančioje erdvėje sukuriamas magnetinis laukas, kurio jėgos linijos parodytos 19.1 pav. Šiaurės magnetinis polius yra pietiniame geografiniame poliuje, o pietinis magnetinis polius yra šiaurėje. Žemės magnetinis laukas yra nukreiptas horizontaliai į pusiaują, o vertikaliai į magnetinius polius. Kituose žemės paviršiaus taškuose žemės magnetinis laukas yra nukreiptas tam tikru kampu.

Magnetinio lauko egzistavimą bet kuriame Žemės taške galima nustatyti naudojant magnetinę adatą. Jei pakabinsite magnetinę adatą N.S. ant sriegio L(19.2 pav.), kad pakabos taškas sutaptų su rodyklės svorio centru, tada rodyklė bus sumontuota Žemės magnetinio lauko jėgos linijos liestinės kryptimi. Šiauriniame pusrutulyje pietinis galas bus pasviręs į Žemę, o rodyklės ašis sudarys pasvirimo kampą su horizontu q(prie magnetinio pusiaujo pokrypis lygus 0). Vertikali plokštuma, kurioje yra rodyklės ašis, vadinama magnetinio dienovidinio plokštuma. Visos magnetinių meridianų plokštumos susikerta tiesia linija N.S., o magnetinių meridianų pėdsakai Žemės paviršiuje susilieja ties magnetiniais poliais N Ir S. Kadangi magnetiniai poliai nesutampa su geografiniai poliai, tada rodyklės ašis nukryps nuo geografinio dienovidinio.

Apvalios srovės magnetinis laukas

Pagal teoriją magnetinio lauko stiprumas centre APIE, sukurtas ilgio elementu dl apskritas posūkis spindulys R, kuriuo teka srovė aš, gali būti nustatytas pagal Biot-Savart-Laplace dėsnį

Ir vektorinis įrašymas atrodo šis įstatymas

Šioje išraiškoje: r– iš laidininko elemento nubrėžto spindulio vektoriaus modulis dlį atitinkamą lauko tašką; 1/4 p- proporcingumo koeficientas formulės užrašymui SI vienetų sistemoje.

Nagrinėjamame pavyzdyje spindulio vektorius yra statmenas dabartiniam elementui ir yra modulyje lygus spinduliui pasukti, taigi

Magnetinio lauko stiprumo vektorius nukreiptas statmenai piešimo plokštumai, kurioje yra vektoriai ir, ir yra orientuotas pagal gimleto taisyklę.