WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 

«Министерство путей сообщения Российской Федерации ' Московский государственный университет путей сообщения (МНИТ) Кафедра «Физика-1» ...»

Министерство путей сообщения Российской Федерации

' Московский государственный университет путей сообщения

________________ (МНИТ)

Кафедра «Физика-1»

В. И. Марченко

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

ИЗМ ЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮ Щ ЕЙ

МАГНИТНОГО П О Л Я ЗЕМЛИ

Руководство к выполнению лабораторной работы Э7 по

дисциплинам «Физика» и «Геофизические аспекты системы Земля атмосфера» для экологических, энергетических, механических и строительных специальностей Москва - 2000 УДК 591.76 М -3 2 Марченко В.И. Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. -М.: МИИТ, 2000.-14с.

Методическое руководство к выполнению лабораторной работы Э7 по дисциплине «Геофизические аспекты системы Земля атмосфера» для студентов экологических специальностей.

Может использоваться в лабораторном практикуме по дисциплине «Физика» ( Разделы : электричество и магнетизм ) для студентов 1 и 2 курсов энергетических, механических и строительных специальностей.

© Московский государственный университет путей сообщения ( МИИТ), 2000 Работа Э7 «Измерение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли»

Цель работы: косвенное измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли методом тангенс-буссоли и ознакомление с основными представлениями учения о земном магнетизме.



Приборы и принадлежности: магнитная стрелка, тангенс-буссоль, двойной переключатель, амперметр, источник питания.

Земной магнетизм Земной магнетизм - это раздел физики Земли, изучающий вопросы происхождения магнитного поля Земли, его распределение на земной поверхности, пространственную структуру (магнитосферу и радиационные пояса Земли), а также взаимодействие с межпланетным магнитным полем.

Основным элементом земного магнетизма является магнитное поле Земли, которое включает постоянную составляющую («99 %) и пере­ менную составляющую («1 %). Основное магнитное поле Земли (рис. 1) имеет конфигурацию линий индукции, похожую на конфигурацию поля прямого постоянного магнита (рис. 2), центр которого смещён относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли под углом 11,5°.

Рис. 1 Рис. 2 На такой же угол магнитные полюса Земли смещенк относительно её географических полюсов, причём в северном полушарии (вблизи Канады) находится южный магнитный полюс (вектор индукции В направлен вниз), а в южном полушарии (в Антарктиде) - северный магнитный полюс (вектор индукции В направлен вверх). Вблизи поверхности Земли сред­ няя величина В=5.10'5 Тл. Напряжённость геомагнитного поля Н=В /р-0 (jjL =12,56.10'7 Гн/м ) уменьшается от магнитных полюсов к магнитному o экватору от значения 55,7 А/м до 33,4 А/м. Земной шар представляет собой огромный магнитный диполь, магнитный момент которого в настоящее время равняется 8,3.1022 А-м2. Постоянная составляющая магнитного поля Земли медленно изменяется во времени (претерпевает вековые вариации) с периодом от 10 до 104 лет. В низких географических широтах происходит хорошо выраженный западный дрейф геомагнитного поля со скоростью около 0,2° в год, что в сочетании с орбитальным движением земной оси вокруг Солнца приводит к сложному, прецессирующему движению магнитных полюсов Земли относительно её географических полюсов с периодом в 1200 лет. Приведенные выше сведения о распределении магнитного поля Земли вблизи её поверхности и о вековых вариациях постоянной составляющей этого поля получены путём прямых измерений величины и направления напряженности магнитного поля Н, которые проводятся с 19 в., а также из навигационных измерений угла магнитного склонения (угла между направлением стрелки магнитного компаса и географическим меридианом в точке измерения), показанного на рис. 3.

Эти сведения дополняются данными археологических исследований намагничен­ ности керамики, кирпичей, черепицы и других предметов человеческой деятельности, содержащих в своём составе высококоэрцитивные ферримагнитные минералы на основе окислов железа. Вместе с данными о времени отжига этих изделий (полученными из исторических сведений или методом радиоуглеродного анализа) направление и величина их остаточной намагниченности дают достоверные сведения о пространственной структуре Рис. 3 магнитного поля Земли за 8-10 тыс. лет.

За более длительный период такие сведения можно получить путем исследования остаточной намагниченности осадочных горных пород, содержащих ферримагнитные минералы, относящихся к разным палеонтологическим периодам жизни Земли. Методами палеомагнетизма установлено, что магнитное поле Земли существовало, по.крайней мере, уже 2,5 млрд, лет назад (при возрасте Земли 4,6 млрд, лет) и имело величину и направление близкие к современным. Среднее положение геомагнитных полюсов за Ю4 - 105 лет совпадает с положением географических полюсов. Характеристики геомагнитного поля сохраняются неизменными длительное время (в течение 105-107 лет), а затем они резко уменьшаются в 3-10 раз и в этот, относительно короткий переходный период (104- 103 лет), может произойти изменение знака магнитного поля. Это явление называется инверсией (обращением) магнитных полюсов. За переходный период может произойти несколько инверсий (2-3) или ни одной инверсии. Наступление переходных периодов случайно. За последние ~ 30 млн. лет среднее время между инверсиями оставляет ~ 150 тыс. лет.

На величину и пространственное распределение постоянной составляющей магнитного поля Земли вблизи её поверхности оказывают влияние локальные магнитные аномалии, связанные с сильной намагниченностью горных пород образующих земную кору. Практически все они содержат ферримагнитные минералы на основе окислов железа и намагничиваясь в магнитном поле Земли являются источниками внутреннего магнитного поля, индукция которого для всей поверхности Земли в среднем составляет КГ7 Тл. Размеры локальных магнитных аномалий могут составлять несколько километров или сотни километров.

Самой мощной магнитной аномалией является Курская. Индукция локального магнитного поля на территории этой аномалии, занимающей более половины площади Курской и Белгородской областей Российской Федерации, достигает величины 1(Г5 Тл., что равно среднему значению индукции постоянной составляющей геомагнитного поля для всей поверхности Земли. Изучение локальных аномалий магнитного поля является одним из надежных методов геофизического поиска полезных ископаемых и изучения строения земной коры до глубин 20-50 км. При больших глубинах температура становиться выше точки Кюри для всех из­ вестных ферримагнитных минералов, при которой намагниченность под действием магнитного поля Земли исчезает.

Происхождение магнитного поля Земли согласно современным представлениям связано с конвективным движением жидкой электропроводящей части ядра Земли при её суточном вращении. Теория, основанная на этом представлении, называется теорией гидромагнитного динамо. В ней получены системы движения электропроводящей жидкости, которые работают как индукционные динамо-машины с самовозбуждением. На основе этой теории построены экспериментальные модели, состоящие из цилиндров быстро вращающихся в электропроводящей жидкости, которые самовозбуждались и генерировали магнитное поле за счёт энергии вращения. Полученные на основе этой теории характерные времена гидродинамических процессов в жидком ядре Земли совпадают с их значениями, полученным# по независимым данным о вековых вариациях суточного вращения Земли, которые связаны с перераспределением момента инерции между жидкой частью её ядра и твёрдой мантией в связи с нерегулярностью турбулентной конвекции в.

жидком ядре. Однако эта теория испытывает немалые затруднения как в части недостаточности сведений об источниках энергии, возбуждающих столь интенсивное конвективное движение в жидком ядре Земли, так и в части математических решений полной системы уравнений магнитной гидродинамики.

Пространственная структура распределения магнитного поля Земли на больших расстояниях обусловлена его взаимодействием с солнечным ветром (потоком заряженных частиц - в основном электронов и протонов излучаемых внешним слоем солнечной короны в межзвёздное пространство). Вместе с солнечным ветром магнитное поле Земли образует магнитосферу - многосвязную систему электрических и магнитных полей и заряженных частиц. Магнитосфера в отличие от магнитного поля Земли не симметрична.





относительно дневной и ночной стороны. С дневной стороны линии индукции магнитного поля сжаты солнечным ветром до расстояния «10 R3 (где R3- радиус Земли) и имеют вытянутый на многие миллионы километров «хвост» с ночной стороны. Линии индукции магнитного поля в магнитосфере являются замкнутыми, как и у магнитного диполя, на небольших расстояниях ( 3R3) и являются геомагнитными ловушками для приходящих из космоса заряженных частиц. Замкнутые линии магнитного поля ближней магнитосферы образуют радиационные пояса Земли, защищающие от проникновения в атмосферу частиц высоких энергий. В «хвосте» магнитосферы линии индукции геомагнитного поля незамкнуты и уходят в космическое пространство параллельно потоку солнечного ветра, обтекающего Землю с ночной стороны, при этом вектор индукции В в нижней (северной) и верхней (южной) частях геомагнитного «хвоста» направлен в противоположные стороны. В пространстве между этими частями геомагнитного хвоста, образуется полость размером «5R3, заполненная горячей плазмой солнечного ветра с. температурой «5.107 К и очень слабым собственным магнитным полем. Изменение полярности магнитного поля между верхней и нижней частями геомагнитного хвоста связано с протеканием тока внутри плазменного слоя в поперечном направлении.Этот ток направлен с дневной стороны на ночную и обусловлен дрейфом заряженных частиц под действием центробежных сил, возникающих при суточном вращении Земли, и действием силы связанной с градиентом индукции магнитного поля между южной и северной частями геомагнитного хвоста.

Электрические токи, протекающие в магнитосфере и ионосфере Земли возбуждают переменную составляющую геомагнитного поля, индукция которого не превышает 10'7 Тл. Как и постоянная составляющая она испытывает временные вариации с периодом от нескольких секунд до нескольких дней, которые подразделяются на спокойные и возмущён­ ные. Спокойные вариации обусловлены суточным вращением Земли и её движением по орбите вокруг Солнца. Разогрев ионосферы и усиление процессов ионизации на дневной стороне приводит к возникновению устойчивых ионосферных ветров, т. е. направленных потоков электропроводящей среды в магнитном поле Земли. Генерируемые при этом движении электрические токи обуславливают спокойные суточные вариации магнитного поля Земли, а их изменения в течение года сезонные вариации.

Возмущённые вариации связаны с нерегулярными процессами в магнитосфере, возникающими при обтекании магнитного поля Земли солнечным ветром. Такие нерегулярности обусловлены солнечной активностью (появлением солнечных пятен, выбросом протуберанцев и т.п.) приводят к резким и значительным перестройкам в магнитосфере, что вблизи поверхности Земли проявляется в виде магнитных бурь, пульсаций или других вариаций переменной составляющей.

Интенсивность и характер возмущённых вариаций зависят как от характеристик солнечного ветра (плотность и скорость потока заряженных частиц, направление межпланетного магнитного поля), так и от магнитогидродинамических процессов протекающих в магнитосфере.

Например, во время магнитных бурь переменная составляющая магнитного поля Земли может достигать значения КГ7 Тл., что сопоставимо с интенсивностью постоянной составляющей, и начинает существенно влиять на показания магнитного компаса в высоких широтах.

Экспериментальное исследование переменной составляющей магнитного поля Земли позволяет наземными средствами определять параметры солнечного ветра и устанавливать диагноз процессов в ионосфере и магнитосфере. Последнее имеет большое значение для определения условий распространения радиоволн и надёжности работы радиосвязи, а также для радиационной безопасности полёта на искусственных космических аппаратах. Установлено, что некоторые вариации переменной составляющей магнитного поля Земли оказывают влияние на жизнедеятельность живых организмов, а также на атмосферные процессы и формирование погоды.

Постановка задачи

Земля представляет собой естественный магнит, полюса которого располагаются недалеко («300 км) от географических полюсов.

Через магнитные полюса Земли можно провести линии больших кругов - магнитные меридианы, перпендикулярно к ним - линию большого круга - магнитный экватор - и параллельно последнему линии малых кругов - магнитные параллели. Таким образом, каждой точке на Земле будут соответствовать не только географические, но и магнитные координаты.

Если в данной точке Земли свободно подвесить магнитную стрелку (т. е. подвесить за центр масс так, чтобы она могла поворачиваться и в горизонтальной и в вертикальной плоскостях), то она установится по направлению напряженности магнитного поля Земли в данной точке.

Но так как магнитное поле Земли - это поле прямого магнита, ясно, что линии индукции этого поля лишь на магнитных полюсах вертикальны, а на.магнитном экваторе горизонтальны. В любой другой точке земной поверхности линия индукции, касательный к ней вектор напряженности магнитного поля Я и, следовательно, свободно подвешенная стрелка располагаются под каким-то углом к вертикали в этой точке Земли и, значит, под каким-то углом к горизонтальной плоскости в данной точке (рис.

1). Из-за несовпадения магнитных и географических полюсов Земли не совпадают и плоскости магнитного и географического меридианов, проходящих через данную точку земной поверхности. Таким образом, положение свободно расположенной магнитной стрелки характеризуется двумя углами а и (3, имеющими вполне определенные значения для данной точки Земли.

Угол а между направлениями географического и магнитного меридианов (рис. 3) называется магнитным склонением. Различают восточное и западное склонение (северный полюс стрелки отклоняется соответственно вправо или влево от географического меридиана).

Угол { между направлением напряженности магнитного поля в данной точке и горизонтальной плоскостью (рис. 4) называется магнитным наклонением.

Наклонение бывает северное или южное (северный или южный конец стрелки располагается выше или ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла являются магнитными координатами данной точки. Например, для Москвы а »8° (восточное склонение), Р»70° (северное Рис. 4 наклонение).

Как показано выше постоянная составляющая магнитного поля Земли испытывает суточные, годовые, вековые и т. п. вариации. Соответственно меняются и магнитные координаты для данной географической точки.

Кроме того, наблюдаются кратковременные нерегулярные изменения переменной составляющей геомагнитного поля {магнитные бури, пульсации и т.п.) во время которых магнитные координаты могут оказаться трудно определимыми.

Таким образом, можно считать, что при спокойных вариациях геомагнитного поля вектор напряжённости /Г в данной точке наклонён к горизонтальной плоскости, т.е. имеет горизонтальную Нг и вертикальную Нв составляющую. Значит, магнитная стрелка, вращающаяся на закрепленной вертикальной оси, устанавливается в плоскости магнитного меридиана по направлению горизонтальной составляющей Нг магнитного поля Земли. Отметим, что магнитная стрелка или рамка с током устанавливается в определенном направлении под действием вектора индукции магнитного поля В, а не вектора напряжённости Н, но в силу установившейся традиции обычно говорят о векторе напряженности.

Итак, стрелка компаса под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Если с помощью кругового тока около стрелки возбудить магнитное поле (рис. 5), направление которого не совпадает с направ­ лением горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, то стрелка установится по направлению равнодействующей обоих магнитных полей под некоторым углом ф к горизонтальной составляющей (рис. 6).

--------------------- ф • Нг

–  –  –

8. Определите число витков катушки буссоли N, для чего сосчитайте число витков в верхнем слое катушки и умножьте его на число слоёв (при необходимости уточните число слоев катушки у преподавателя или лаборанта) Примечание: поскольку на магнитную стрелку могут влиять намагниченные в магнитном поле Земли различные изделия из железа (подставки столов, лабораторных стендов и т.п.) выполняйте работу как можно дальше от таких предметов и по возможности размещайте буссоль в центре стола. Не выполняйте работу рядом с лабораторными установками, подключёнными к источникам постоянного тока.

–  –  –

1. Для каждого значения силы тока I рассчитайте по формуле (4) величину Нг и вычислите среднее значение Н.

2. Вычислите абсолютную погрешность ДН5 косвенного измерения Нг для каждого значения силы тока I; по формуле АН, = Нг - Н гд.

3. Вычислите абсолютную погрешность ДНГ по формуле Стьюдента.

Значение доверительного интервала получите у преподавателя.

4. Рассчитайте относительную погрешность 8НГ по формуле:

8Н,= НГ/Н,100%.

–  –  –

1. Из каких составляющих состоит магнитное поле Земли?

2. Какую конфигурацию имеют линии индукции магнитного поля Земли?

3. Где в настоящее время располагаются геомагнитные полюса?

4. Как направлен вектор индукции магнитного поля Земли вблизи южного и северного геомагнитных полюсов?

5. Как направлен вектор напряжённости магнитного поля Земли в данной географической точке?

6. Что называется магнитным склонением?

7. Что называется магнитным наклонением?

8. Как направлена горизонтальная составляющая магнитного поля Земли?

9. Как устанавливается магнитная стрелка под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли?

10. Как устанавливается магнитная стрелка в центре кругового тока, плоскость которого размещена в плоскости магнитного меридиана?

П-По какому закону рассчитывается напряжённость магнитного поля тока в центре кругового витка?

12. Как рассчитывается напряжённость магнитного поля катушки, имеющей N круговых витков одинакового радиуса в её центре?

13. По какому правилу определяется направление векторов индукции и напряжённости магнитного поля тока?

14. По какой формуле рассчитывается горизонтальная составляющая магнитного поля Земли в данной работе?

15. Какие величины необходимо прямо измерить для косвенного измерения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли?

16. Какие факторы оказывают наибольшее влияние на точность измерения горизонтальной составляющей магнитного поля земли?

17. Какое практическое значение имеют данные о состоянии и характеристиках геомагнитного поля?

Список рекомендуемой литературы

1. Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978,278 с.

2. Детлаф А. А., Яворский Б., М. Курс физики. М., Высшая школа, 1989, 608 с.

3. Евграфова Н. Н., Каган В. Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М., Высшая школа, 1970, 382 с

4. Курушин А.Д. Ошибки измерений физических величин. Вычисление ошибок косвенных измерений./ Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика». Под ред. проф.

Марченко В.И./ -М.,МИИТ, 1996,25 с.

Содержание стр.

Земной магнетизм

Постановка задачи

Порядок выполнения работы

Обработка результатов измерения

Контрольные вопросы

Список рекомендуемой литературы





Похожие работы:

«Ф СО ПГУ 7.18.2/06 Рабочая программа Министерство образования и науки Республики Казахстан Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова Агротехнологический факультет РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины "Ботаника" для студентов специальности 050801 "Агрономия" Павлодар Ф СО ПГ...»

«РОССЕЛЬХОЗНАДЗОР ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ЭПИЗООТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ В СТРАНАХ МИРА № 38 21 февраля 2017 г. Официальная информация МЭБ 1. Россия: африканская чума свиней Комментарий ИАЦ: Кумулятивная эпизоотическая...»

«РОССЕЛЬХОЗНАДЗОР ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР ЭПИЗООТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ В СТРАНАХ МИРА №238 11.11.14 Официальная Румыния: блютанг информация: МЭБ Остров Святой Елены: болезнь Ньюкасла США...»

«ИССЛЕДОВАНИЕ SA #01/2015RU, 16 апреля 2014 г.КАЛИЙНАЯ ОТРАСЛЬ БЕЛАРУСИ: ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ РАЗВОДА С "УРАЛКАЛИЕМ" Андрей Елисеев, Александр Автушко-Сикорский Резюме С 2005 г., когда была создана "Белорусская калийная компания" (БКК) и мировые цены на калийные удобрения стали повышаться, роль...»

«9. Измельчитель универсальный И-7,5У. URL: 17. Баранов Н. Ф., Фуфачев В. С., Ступин И. В. Обоснование параметров ножевого режущего аппаhttp://www.agro-tehservis.ru/izmelchitel_I-7_5u.html (дата обращения: 21.04.2016). рата // Улучшение эксплуатационных показателей 10. Оборудование для отделения и измельч...»

«deteriorate performance of life and health. The main purpose of the article is a sociological analysis of self-preservation aspects of the health of citizens of Russia. Keywords: longevity, aging, life expectanc...»

«MRU-20 ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Версия 1.12 1 ВВЕДЕНИЕ 2 ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПО ТРЁХПОЛЮСНОЙ СХЕМЕ (3P) 3 ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ RE ДВУХПОЛЮСНЫМ МЕТОДОМ (2P) 4 ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ ПРИСОЕДИНЕНИЯ К ЗЕМЛЕ И ВЫРА...»

«О. Н. СУСЛОВ СТЕПНЫЕ РЕКИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ КРАСНОДАР Министерство сельского хозяйства РФ ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" О. Н. СУСЛОВ СТЕПНЫЕ РЕКИ КРАСН...»

«НОВОСТИ ЕПФ: Август 2015 г. НОВОСТНОЙ БЮЛЛЕТЕНЬ в ЦИФРАХ 10 парламентариев из стран Европы и Африки посетили Сенегал в ходе трехдневной ознакомительной поездки. 1342 девушки в Португалии могут подвергнуться риску стать жертвой калечащих операций на женских половых органах, соглас...»

«1 От составителя Имя тверитянина Афанасия Никитина известно далеко за пределами его родного города. С его записей о путешествии и пребывании в Индии началось знакомство россиян с этой страной. В...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.