Cwiczenie 46 a46

SAVE OFFLINE

Wyznaczanie wartości składowej poziomej pola magnetycznego Ziemi metodą busoli stycznych.1 Według obecnego stanu wiedzy pole magnetyczne Ziemi jest wywołane ruchami ciekłego, przewodzącego materiału jądra w polu elektromagnetycznym przestrzeni okołoziemskiej. Jest to układ podwójnego samowzbudzającego dynama wytwarzającego pole, które może być traktowane jako pochodzące od znajdującego się w środku Ziemi dipola magnetycznego. Oś tego dipola tworzy z osią obrotu Ziemi kąt ok. 11,5°. Jest to pole główne (dające ok. 99 % wkład do natężenia pola mierzonego na powierzchni Ziemi), które ulega powolnym zmianom, tzw. zmianom wiekowym. Na pole główne nakładają się zmienne pola wywoływane przez zjawiska elektromagnetyczne zachodzące w przestrzeni okołoziemskiej.

a)

b) Rys. Lokalizacja południowego bieguna pola magnetycznego, b) „wędrówka w czasie” południowego bieguna magnetycznego

1

Pomysłodawcami ćwiczenia byli dr A.Tunia i dr M.Roszko

Z polem magnetycznym Ziemi wiąże się szereg ciekawych zjawisk w atmosferze, takich jak np. zorza polarna. Pole magnetyczne jest też tarczą, która chroni Ziemię przed wiatrem słonecznym naładowane cząstki z wiatru słonecznego (głównie elektrony i protony) są więzione w obszarze tzw. pasów van Allena. Oczywiście Ziemia nie jest jedynym obiektem w kosmosie, który wytwarza pole magnetyczne. Znacznie silniejsze pola, dochodzące nawet do miliarda tesli (T), wytwarzają gwiazdy neutronowe... Podstawową wielkością opisującą pole magnetyczne w dowolnym punkcie jest jego natężenie H. Wektor ten może być rozłożony na dwie składowe: interesującą nas składową poziomą, czyli równoległą do powierzchni Ziemi H= oraz na składową prostopadłą (pionową) H+: H. = H= + H+. Wyznaczenia natężenia pola magnetycznego Ziemi można dokonać wykorzystując igłę magnetyczną i obwód kołowy. Igła magnetyczna ma pewien charakterystyczny moment dipolowy μ. Po umieszczeniu igły w polu magnetycznym działa na nią moment siły M: M=μ×H

(1)

doprowadzający ja do położenia równoległego do kierunku wektora H. Jeżeli igła magnetyczna ustawiona jest w płaszczyźnie poziomej, pod uwagą bierzemy jedynie składową natężenia pola równoległą do powierzchni Ziemi.

Rys. Wartości składowej poziomej magnetycznego pola Ziemi

Wyznaczenia składowej poziomej natężenia pola geomagnetycznego można dokonać w następujący sposób. W środku kołowego obwodu o promieniu R utworzonego przez N zwojów umieszczamy kompas (busolę) z podziałką kątową w taki sposób, aby igła mogła obracać się wokół pionowej osi leżącej w płaszczyźnie obwodu. Układ ten (busolę z obwodem) sytuujemy tak, aby – jeżeli przez obwód nie płynie prąd – igła znajdowała się w jego płaszczyźnie. Jest to stan, kiedy igła znajduje się jedynie w polu geomagnetycznym o interesującym nas natężeniu HG. Jeżeli następnie przez obwód przepuścimy prąd o natężeniu I, to zostanie wytworzone pole magnetyczne o natężeniu Ho:

H0 =

NI 2R

(2)

Natężenie Ho jest skierowane prostopadle do płaszczyzny obwodu i tym samym prostopadle do wektora HG. Na igłę będzie działać moment siły, którego źródłem jest pole wytworzone przez obwód Mo = μ × H o

(3)

oraz przeciwnie skierowany moment siły pochodzącej od pola ziemskiego MG = μ × HG

(4)

Równowaga momentów sił spowoduje ustawienie igły w położeniu, którego kierunek jest odchylony o kąt φ od kierunku jej pierwotnego położenia i zarazem od kierunku wektora HG.

Wartość momentu siły pola ziemskiego możemy zapasać w następujący sposób: MG = μHG sinφ,

(5)

natomiast momentu siły pochodzącej od obwodu Mo = μHo sin(π/2 – φ).

(6)

Ponieważ momenty te równoważą się HG sinφ = Ho cosφ.

(7)

Uwzględniając zależność (2) natężenie ziemskiego pola magnetycznego można zapisać równaniem HG =

NI ⋅ ctgφ , 2R

(8)

a wyznaczyć korzystając z następującej zależności: tgφ =

NI . 2 RH G

(9)

Pole magnetyczne można opisywać używając pojęcia "linii indukcji pola magnetycznego". Czym różnią się te linie od linii sił pola elektrostatycznego powstającego wokół ładunków? Okazuje się, że w przeciwieństwie do linii sił pola elektrycznego, linie indukcji pola magnetycznego są zawsze zamknięte, tzn. nie mają początku ani końca.

Opis urządzenia i metoda pomiaru Urządzenie pokazane na rysunku poniżej służy do pomiaru składowej poziomej (Hz) natężenia pola magnetycznego ziemi nosi nazwę busoli stycznych. .Składa się ona z: obrotowej podstawy (1) na której umieszczono pionowo cewkę pomiarową o średnicy 2R (2) oraz igłę magnetyczną (3) ustawioną dokładnie w osi i płaszczyźnie cewki pomiarowej. Płaszczyzna obrotu igły magnetycznej jest prostopadła do płaszczyzny uzwojenia Cewka pomiarowa składa się z 6 zwojów (nawiniętych w jednej warstwie z odczepami co 1 zwój,) drutu o średnicy φ 1 mm co pozwala na zasilanie prądem o natężeniu do 4 amperów. W celu wyeliminowania wpływu składowej pionowej pola magnetycznego ziemi ,igła magnetyczna została wywarzona tak by jej płaszczyzna obrotu leżała w płaszczyźnie poziomej. Uzwojenie cewki(2)

Korpus cewki

Skala kątowa igły magnetycznej

Igła magnetyczna(3)

Gniazda odczepów cewki

0

2

4

6

Rys 1 Busola Stycznych

V

A Zasilacz regulowany

Podstawa busoli(1)

+ _

Rys. Schemat urządzenia do pomiaru składowej poziomej pola magnetycznego. Promień uzwojenia busoli R = 0.149 m

Po włączeniu prądu, na każdy biegun tak ustawionej igły magnetycznej będą działały dwie siły: Fz – siła pola magnetycznego ziemi i Fc – siła pola magnetycznego cewki. . Cewka pomiarowa zasilana prądem o natężeniu IR ze stabilizowanego zasilacza prądu stałego wytwarza pole magnetyczne, którego wektor natężenia (Hc) jest prostopadły do płaszczyzny uzwojeń. Jeżeli przed włączeniem prądu ustawimy płaszczyznę cewki dokładnie w kierunku igły magnetycznej N-S, to po włączeniu zasilania igła magnetyczna wychyli się o pewien kąt φ będący kierunkiem wypadkowego pola o składowych Hc i Hz . Jak widać na rysunku stosunek Hc do Hz równy jest tangensowi kąta φ jaki tworzy igła magnetyczna z płaszczyzną cewki, zasilanej prądem I Hz

ϕ1 ϕ2 ϕι Hci

Hc2

Hc1

Przebieg pomiarów i rachunek błędów: 1. Wstępne zorientowanie busoli względem N-S oraz dokładne wypoziomowanie podstawy. 2. Ustawienie busoli tak by płaszczyzna cewki pokrywała się z kierunkiem igły magnetycznej. N/S (sterujemy silnikiem krokowym w zakresie +/- 300 ) 3. Zasilamy podaną przez asystenta liczbę zwojów cewki takim prądem by igła wychyliła się o kąt zawarty w przedziale do 450 - możliwe podłączenie 1-2-3-4 lub5 zwojów (przełączanie realizowane za pomocą styczników R-15 lub ręcznie) 4. Odczytujemy kąt wychylenia igły φN

W

E

S

Rys. Pole widzenia kamery

5. Pomiary powtarzamy dla dwóch kierunków przepływu prądu. 6. Szacujemy błędy pomiarowe: kąta φ ± Δ φ oraz prądu IR ± Δ IR

Opis panelu programu sterującego instrukcja

sterowanie silnikiem

Start pomiaru kalibracja cewka magnesująca

α

igła magnetyczna

Wszystkie wyniki należy w trakcie ćwiczenia zapisywać w protokole.