Теоретичні відомості. Земля представляє собою величезний магніт

Земля представляє собою величезний магніт. Магнітні полюси Землі не співпадають з географічними. Південний полюс магнітного поля Землі знаходиться біля північних берегів Америки, приблизно 75° північної широти і 101° західної довготи, а північний полюс ― в Антарктиді (67° південної широти і 140° східної довготи).

Існування магнітного поля Землі безпосередньо підтверджується відхиленням магнітної стрілки при її вільному підвісі. При цьому вона встановлюється у напрямі дотичної до лінії індукції магнітного поля Землі. Значення індукції магнітного поля Землі невеликі і змінюються у межах від (на екваторі) до (поблизу магнітних полюсів).

Основними параметрами магнітного поля Землі є: магнітне нахилення (кут між напрямом вектора і площиною горизонту), магнітне схилення (кут між горизонтальною складовою вектора і площиною географічного меридіана) і горизонтальна складова індукції магнітного поля Землі
(рис. 1).

Географічний меридіан ― це напрям, що визначає дійсне положення лінії південь-північ в даній місцевості. Магнітний меридіан ― уявна лінія на Земній поверхні, що співпадає з напрямом магнітного меридіану. У першому наближенні магнітне поле Землі можна уявити як поле однорідно намагніченої кулі. На магнітних полюсах магнітне нахилення дорівнює ±90°. Тому повна індукція і вертикальна складова магнітного поля мають однакові значення ― магнітна стрілка встановлюється у вертикальному напрямі. На магнітному екваторі повна індукція і горизонтальна складова дорівнюють одна одній ― магнітна стрілка встановлюється в горизонтальному положенні.

Горизонтальну складову визначають з допомогою приладу, який називається тангенс-гальванометром. Він складається з колової рамки, розміщеної в площині магнітного меридіану. У центрі рамки на вертикальній осі розміщена магнітна стрілка, яка може вільно обертатися в горизонтальній площині. Магнітна стрілка повинна бути малою, щоб можна було вважати індукцію магнітного поля, яка діє на полюси стрілки, такою, що дорівнює індукції в центрі колового струму. Обертаючий момент стрілки створює тільки горизонтальна складова магнітного поля.

При проходженні струму через колову рамку створюється магнітне поле рамки. Вектор індукції магнітного поля рамки в її центрі О направлено перпендикулярно до площини рамки у напрямі її осі (рис. 2). Напрям ветора індукції в точці О можна визначити знаючи напрям струму у провіднику за допомогою правилом свердлика (або правила правого гвинта).

Згідно і законом Біо-Савара-Лапласа індукція магнітного поля в центрі колового струму (1), де де n - кількість витків у контурі, R – радіус витка.

При пропусканні струму через рамку магнітна стрілка зазнає діє зі сторони двох магнітних полів: магнітного поля Землі (горизонтальної складової , оскільки вертикальна складова зрівноважується реакцією осі стрілки) і магнітного поля струму з індукцією . Якщо контур рамки встановити в площині магнітного меридіану, то вектор буде орієнтований у площині контуру, а вектор спрямований перпендикулярно до площини магнітного меридіану. Під дією полів і магнітна стрілка встановиться у напрямі результуючого поля під кутом до напряму магнітного поля Землі (рис. 3).

Індукції магнітного поля і пов’язані співвідношенням (2). Із виразів 1 і 2 слідує, що (3).

Для зручності відліку кутів повороту магнітної стрілки, яка з’єднана з легким коловим алюмінієвим лімбом, і відлік по ньому ведеться з допомогою візира, установленого під кутом 90° до площини контуру.

Із (3) слідує, що (4).

Величина С називається сталою тангенс-гальванометру. Тоді (5).

Величина струму змінюється пропорційно тангенсу кута відхилення стрілки, тому прилад називається тангенс-гальванометром. Якщо = 45°, тоді (6). Отже, стала гальванометра чисельно дорівнює силі струму, при якому магнітна стрілка приладу повертається на кут 45°.