XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование магнитного поля Земли

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов-Ястребов А.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Бугаева Л.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Работа в формате PDF

433 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение

Нашу планету окружает магнитное поле, которое является одним из самых защищенных и сложных полей в солнечной системе. Оно играет важную роль в поддержании жизни на Земле. Это поле не только защищает нас от опасных солнечных ветров и космических лучей, но и играет решающую роль в создании атмосферы нашей планеты и в поддержании жизни многих живых организмов на ней.

Известно, что магнитное поле характеризуется магнитной индукцией. Для магнитного поля Земли эта величина имеет две составляющие: вертикальную и горизонтальную. Причем, последнюю можно измерить. Идея изучения магнитного поля Земли показалась мне чрезвычайно интересной, поэтому было решено экспериментально определить величину индукции магнитного поля в данной местности и проанализировать факторы, влияющие на её значение.

Таким образом, цель работы: изучить основные характеристики магнитного поля Земли, определить горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции магнитного поля Земли.

Задачи:

1. Изучить литературу по тематике исследования.

2. Создать установку для проведения исследования магнитного поля Земли.

3.Экспериментально определить горизонтальную составляющую вектора магнитной индукции магнитного поля Земли и сравнить её с действительными значениями.

4. Проанализировать факторы, влияющие на магнитное поле Земли.

Объект исследования: магнитное поле Земли.

Предмет исследования: горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля Земли.

Методы исследования: изучение учебной и научной-популярной литературы, моделирование, эксперимент.

Актуальность исследования: магнитное поле Земли имеет огромное практическое значение для различных областей человеческой жизнедеятельности и играет важную роль в защите планеты от опасных излучений и воздействий. Исследование магнитного поля позволяет лучше разобраться в процессах, влияющих на изменение величины индукции магнитного поля Земли.

II.Происхождение магнитного поля Земли

Происхождение магнитного поля Земли (рис.1) объясняется различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Но наиболее достоверной гипотезой, описывающей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре планеты. Гипотеза основана на том, что на глубине 2900 км под мантией Земли находится внешнее жидкое ядро с высокой электрической проводимостью. Вследствие высоких температур и давления, вещество ядра содержит большое число свободных электронов. Предполагается, что благодаря гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время ее образования возникло очень слабое магнитное поле.

Рис.1.

Магнитное поле Земли

Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создали уже более сильное магнитное поле, которое привело к увеличению вихревых токов в ядре, а последнее — к увеличению магнитного поля и т.д. Чередующиеся процессы в течение 4,2 млрд лет привели к тому состоянию магнитного поля, которое Земля имеет на сегодняшний момент.

Кроме внутриземных источников, которые создают основное геомагнитное поле Земли, также есть и другие источники. К ним относятся:

• намагниченные горные породы. Они создают так называемое аномальное магнитное поле.

• солнечно-земное взаимодействие, которое формирует внешнее или переменное геомагнитное поле.

III. Исследование магнитного поля Земли

3.1. Составляющие магнитного поля

Анализ научной литературы показал, что на сегодняшний момент магнитному полю Земли лучше всего соответствует дипольная модель однородного намагниченного шара (рис.2).

Рис.2.

Силовые линии дипольного магнитного поля Земли

В каждой точке на поверхности Земли вектор индукции магнитного поля имеет определённую величину и направление. Индукцию магнитного поля Земли Bз представляют суммой горизонтальной Bг и вертикальной B_Bсоставляющих: Bз= Bг + B_B. Направление горизонтальной составляющей принимается за направление магнитного меридиана. Это и есть то направление, которое указывает стрелка компаса. Измерив горизонтальную составляющую Bг, можно определить значение вектора магнитной индукции в любой точке на поверхности Земли. Найти эту величину можно, используя прибор тангенс-гальванометр, который решено было сконструировать самостоятельно.

3.2. Сборка установки для проведения исследования

Основу тангенс-гальванометра представляет электромагнитная катушка, выполненная из медного изолированного провода диаметром 1 мм. Внутренний диаметр катушки составил 25 см, внешний – 30 см. Катушка состоит из 17 витков, уложенных в гофрированный рукав. Снаружи рукав плотно закреплён изолентой. Внутри катушки на столике размещался компас. Цена деления компаса составляла 1⁰. Данное устройство представляло собой тангенс-гальванометр. (рис.3).

Рис.3.

Электромагнитная катушка тангенс-гальванометра

Катушка подключалась в электрическую цепь последовательно с реостатом РНШ сопротивлением 0- 500 Ом, амперметром, выключателем и источником постоянного тока ИП-24. С помощью мультиметра (Приложение №1) измерялось электрическое сопротивление и падение напряжения на реостате. Схема электрической цепи и общий вид установки представлена на рисунке 4.

Рис.4
Электрическая схема установки	Общий вид установки

3.3. Теоретическое обоснование

При отсутствии электрического тока в катушке, на магнитную стрелку действует только магнитное поле Земли и стрелка компаса, находящаяся в центре тангенс-гальванометра, устанавливается в направлении горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля ЗемлиBг. Горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Bг, которую необходимо определить на данной установке, называется проекция вектора магнитной индукции Земли на горизонтальную плоскость в точке её определения.

Если в катушке возникает электрический ток, то он создаёт собственное магнитное поле катушки. Вектор индукции этого поля направлен по оси катушки, а его модуль равен:

(1),

где =4π · 10⁻⁷  Гн/м ≈ 1,257 · 10⁻⁶ Гн/м- магнитная постоянная, N – число витков катушки, r – радиус витков, I – сила тока в катушке. Значение силы тока рассчитывалось по закону Ома: I=

При этом стрелка компаса поворачивается на некоторый угол и установится вдоль результирующего вектора двух магнитных полей: горизонтальной составляющей поля Земли Bг и поля катушки Bк так, как показано на рис. 5.

Рис.5

Определение результирующей вектора индукции магнитного поля Земли

Угол поворота стрелки компаса отвечает условию:

,

где -угол отклонения стрелки от магнитного меридиана. Следовательно, модуль горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли можно определить из соотношения:

, или с учётом формулы (1)

(2),

где D- диаметр витков катушки.

3.4. Вычисление значения горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли

Вначале проведения эксперимента плоскость витков катушки совмещается с осью стрелки компаса. Далее катушка подключается к источнику постоянного напряжения и, регулируя силу тока, добиваемся отклонения стрелки компаса на 45⁰. При таком угле поворота стрелки tg 45⁰ =1, а напряжённость горизонтальной составляющей будет равна напряжённости магнитного поля катушки с током и точность измерения величины будет максимальной. Значения силы тока I в катушке определяется, непосредственно, по табло источника питания. Диаметр витков катушки определялся с помощью линейки. Вычисление горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли производилось по формуле (2). Всего было проведено три опыта. По результатам трех опытов было найдено среднее значение Вг. Результаты измерений и вычислений представлены в таблице №1.

Таблица №1 «Вычисление значения горизонтальной составляющей

вектора индукции магнитного поля Земли»

Вывод:

1.Горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли представляет собой величину магнитного поля, направленного в горизонтальной плоскости от магнитного полюса к магнитному экватору Земли.

2.Значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли составило 39,51 мкТл и находится в интервале от 25 до 65 мкТл вероятных значений индукции магнитного поля Земли нашего места нахождения.

3.5. Анализ факторов, влияющих на магнитное поле Земли

Т.к. геомагнитное поле Земли имеет разные источники возникновения, то с этой позиции были проанализированы и факторы, влияющие на величину магнитной индукции Земли.

• Если рассматривать основное геомагнитное поле, то на модуль горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Вг, согласно формуле (2), будут влиять: сила тока в цепи катушки, число витков катушки и диаметр витков катушки при неизменном значении магнитной постоянной и тангенса угла отклонения магнитной стрелки. При увеличении числа витков N, автоматически будет увеличиваться и D, а т.к. эти величины взаимообратные, то значение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного Вг будет изменяться незначительно и, возможно, будет зависеть от широты места наблюдения.

• Факторы, влияющие на состояние внешнего геомагнитного поля, были установлены в ходе наблюдения за поведением магнитной стрелки тангенс – гальванометра в течение некоторого времени. Для этого, с помощью реостата в катушке создавался постоянный электрический ток такой величины, при котором магнитная стрелка отклонялась на фиксированный угол - 20⁰. Наблюдения за магнитной стрелкой проводились в течение недели и показали, что, в некоторые дни происходило уменьшение угла отклонения стрелки от фиксированного значения, а в некоторые – увеличение угла отклонения стрелки. Можно утверждать, что уменьшение угла отклонения магнитной стрелки связано с уменьшением модуля индукции магнитного поля Земли, а увеличение отклонения магнитной стрелки – с увеличением модуля индукции магнитного поля Земли, обусловленного магнитными бурями на поверхности Земли вследствие возрастания солнечной активности.

• Чтобы проанализировать факторы, влияющие на аномальное магнитное поле, необходимо проводить наблюдения за положением магнитной стрелки вблизи намагниченных горных пород, что не представилось возможным.

IV. Заключение

В ходе проведения работы были решены основные практические задачи: создана установка для изучения магнитного поля земли, экспериментально определена горизонтальная составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля Земли, проанализированы факторы, влияющие на магнитное поле Земли. Результаты экспериментов показывают, что горизонтальная составляющая индукции магнитного поля является достаточно стабильной величиной и попадает в интервал вероятных значений индукции магнитного поля Земли нашего места расположения. Анализ факторов, влияющих на магнитосферу, показал, что магнитное поле Земли не остаётся постоянным, а испытывает изменения во времени. Основным источником магнитного поля является конвективное движение электропроводящего вещества в жидком металлическом ядре Земли.

Работа имеет важную практическую значимость: экспериментальную установку, созданную в работе, можно использовать в качестве лабораторного оборудования в кружковой работе и при выполнении работ лабораторного практикума по разделу «Электромагнетизм» в старших классах средней школы.

V. Список литературы

1.Громов С.В Физика. Механика. Теория относительности. Электродинамика. Учебник. 10 класса. Углубленный уровень. Учебное издание. /. – М.: Дрофа 2022.

2. Рикитаки Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли /. – Недра. Ленинградское отделение, 2002.

3.Степанов С.В.Физика. Углубленный уровень. 10 класс. Лабораторный практикум: учебное пособие/ – М.: Дрофа, 2020.

4.Перышкин А.В Физика. Учебник. 8 класс. Учебное издание/. – М.: Дрофа, 2016.

5. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Издательство Ленинградского Университета, Ленинград, 1990 г., 447с.

VI. Приложение

Мультиметр DT—9205А