Физика/ геофизика

К.пед.н. Лапаник О.Ф.

Дальневосточный технический рыбохозяйственный университет

«Дальрыбвтуз», г. Владивосток, Россия

Лабораторные исследования характеристик магнитного поля Земли

Содержание предмета физики является основой подготовки будущих судоводителей «Мореходного института» Дальневосточного рыбохозяйственного университета. На лабораторных работах курсанты учатся не только правильно измерять числовые значения физических величин, подставлять их в расчетные формулы и получать конечный результат, но и овладевать профессиональными компетенциями. На примере лабораторной работы «Измерение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля Земли» будущие судоводители могут проследить взаимосвязь изученного материала с дальнейшей профессиональной деятельностью.

Магнитное поле Земли согласно теории гидромагнитного динамо генерируется в результате конвекции электропроводящего вещества в жидкой внешней оболочке. Постоянная составляющая магнитного поля близка к полю диполя. Дипольный магнитный момент Земли величиной 8,3*10²² смещен относительно центра планеты на 450 км и направлен на юг образуя угол примерно в 11,5° с осью вращения Земли. На магнитном экваторе среднее значение поля составляет , а на полюсах Отклонения от поля диполя, которые называются мировыми магнитными аномалиями, имеют характерные размеры на земной поверхности порядка 10⁴км [1,4].

Магнитное поле Земли указывает на наличие электрических токов в ее недрах. Установлено, что ядро Земли обладает высокой электропроводностью. За счет высокой температуры и наличия градиента температуры имеют место перемешивания вещества. Вращательное движение Земли вокруг оси также вовлекает во вращение внутреннюю часть вещества, уподобляя Землю круговому току. Таким образом, в земном ядре работает своеобразный динамо-механизм, благодаря которому Земля представляет собой огромный магнит[2,3].

С помощью силовых линий напряженности можно показать общий вид горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. На эту составляющую магнитного поля Земли накладываются магнитные поля других источников, которые видоизменяют характер магнитного поля. Наиболее существенными являются магнитные поля материков и локальных магнитных аномалий за счет высокого содержания магнетиков, ионосферы, а также токов в верхних слоях атмосферы, обусловленных потоками заряженных космических частиц. Пульсацию магнитного поля Земли вызывает изменение активности Солнца, приводящего к «магнитным бурям». Магнитная ось образует с географической осью угол 11°.

В картографии, геодезии, навигации принято величину магнитного поля на поверхности Земли характеризовать вектором напряженности магнитного поля , которая связана с вектором магнитной индукции соотношением . Вектор напряженности магнитного поля можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . Направление полного вектора и горизонтальной составляющей образует угол . (Рис.1).

Рис. 1. Составляющие магнитного поля катушки

На магнитную стрелку компаса действует только горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли , поэтому знание этой величины имеет важное практическое значение. Используя магнитное поле катушки с током напряженностью и магнитную стрелку, можно определить горизонтальную составляющую Земли по принципу суперпозиции полей.

Расположив катушку так, чтобы , получим . Величину напряженности магнитного поля катушки можно рассчитать, зная число витков в катушке , радиус витка и силу тока по формуле

.

Тогда горизонтальную составляющую магнитного поля Земли определяют по формуле

.

Экспериментальная установка собирается на базе многофункционального комплекса ЛКЭ-1, основным элементом которого является тангенс-буcсоль. При пропускании тока от генератора по виткам соленоида создается магнитное поле, регистрируемое компасом внутри катушки. Величина тока регистрируется с помощью мультиметра. Добавочное сопротивление служит ограничителем тока. Изменение направления магнитного поля тангенс-буcсоли происходит при изменении тока на генераторе.

Особое внимание при выполнении лабораторной работы уделяется теоретическому обоснованию используемых экспериментальных методов, вопросам статистической обработки результатов измерений и оценки их погрешностей.

Ясное и глубокое усвоение законов физики и ее методов исследования помогут будущим судоводителям осваивать законы навигации и судовождения, а также успешно выполнить дипломный проект.

Литература

1. Бурундуков А.С. Концептуальные структуры знания: В 3 ч.: Монограф. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2002. Ч.1.466 с.

2. Кокотов С.И., Кучеренко Л.В., Яковенко Л.М. Электромагнетизм: Магнитное поле в вакууме и веществе: Владивосток: Дальрыбвтуз, 1998 г.

3. Лапаник О.Ф. Электростатика. Постоянный ток. Учебно-методическое пособие для практических занятий студентов всех специальностей. – Владивосток, 2001.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Академия, 2012. -558с.