Работа 15. Измерение магнитного поля Земли (8–11 класс)
Цель работы:
Определить величину и направление вектора индукции магнитного поля Земли на широте и долготе населенного пункта.
Теоретические основы работы
Линии магнитного поля Земли расположены так, что напоминают линии поля полосового магнита, ось которого наклонена относительно оси вращения Земли на 11,5о, а южный полюс располагается в 1200 км от северного географического полюса (рис. 1). Магнитная стрелка компаса ориентируется вдоль горизонтальной для данной местности составляющей вектора индукции поля, поскольку не имеет возможности поворачиваться вокруг горизонтальной оси (рис. 2)
рис. 1 рис. 2
Датчик магнитного поля, принцип действия которого основан на эффекте Холла, то есть появления разности потенциалов в проводящем кристалле, при протекании в нем электрического тока, если кристалл попадает в магнитное поле (рис. 3), измеряет модуль составляющей магнитного поля, расположенной перпендикулярно определенной грани кристалла.
Рис. 3
Такой датчик позволяет, измерив три проекции магнитного поля Земли, определить модуль и направление суммарного магнитного поля Земли в данной точке пространства, если, конечно, поблизости не находятся постоянные магниты, ферромагнитные стержни, которые сами намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и т. п.
В работе путем вращения датчика в горизонтальной и вертикальной плоскостях находится положение, в котором суммарный вектор индукции магнитного поля перпендикулярен той плоскости кристалла, с помощью которой производится регистрация величины магнитного поля.
Оборудование
· Компас
· Транспортир
· Уровень и отвес
· Лист бумаги
· Липкая лента
· Датчик индукции магнитного поля ±0.5 мТл
· Соединительные провода для датчика
· TriLink
· КПК и/или ПК
Монтаж экспериментальной установки
1. Проверьте горизонтальность поверхности стола и выровняйте ее, если это требуется, с помощью уровня для точного ориентирования горизонтального вращения датчика.
2. Укрепите отвес для точного ориентирования вертикального вращения датчика.
3. Лист бумаги закрепите на столе липкой лентой, отметьте центр вращения.
4. Установите переключатель на датчике магнитного поля в положение, соответствующее максимальной чувствительности датчика.
5. Подсоедините датчик к TriLink’у. Если для связи между TriLink’ом и компьютером вы используете кабель USB, то соедините TriLink и компьютер при помощи этого кабеля.
6. Включите TriLink, нажав на нем кнопку Стоп\Пуск 
.
7. Запустите программу MultiLab.
8. В программе MultiLab установите параметры измерений, открыв окно настроек при помощи кнопки Настройка (на ПК 
, на КПК 
).
Настройка параметров измерений
· Частота измерений – 10 замеров/с
· Количество замеров – бесконечно
Порядок проведения эксперимента
1. Выберите в классе место, наиболее удаленное от ферромагнитных материалов и источников магнитных полей. Требуется достаточно большое свободное пространство, чтобы была возможность поворачивать датчик на 360о в вертикальной и горизонтальной плоскости.
2. Начинайте регистрацию данных. Для этого нажмите кнопку Старт/Стоп на TriLink или кнопку Старт (на ПК 
, на КПК 
) на панели инструментов MultiLab. Показания датчика будут отображаться на экране в виде графика.
3. Проверните на полный оборот в горизонтальной плоскости (в плоскости стола вокруг центра, обозначенного на листе бумаги) датчик магнитного поля. Наблюдайте построение графика изменения магнитного поля от времени.
4. Найдите положение, в котором сигнал максимален, отметьте его на листе бумаги. Сравните отмеченное положение с показаниями компаса. Установите датчик в отмеченное положение. После этого поверните его на полный оборот в вертикальной плоскости, ориентируясь по отвесу.
5. Измерьте транспортиром угол наклона датчика к горизонту при максимальном значении индукции магнитного поля Земли.
6. Остановите регистрацию, повторно нажав кнопку Старт/Стоп на TriLink’е или кнопку Стоп (на ПК
, на КПК 
) на панели инструментов MultiLab.
Анализ результатов эксперимента на КПК
1. Посредством двух курсоров определите разность между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика. В информационной панели окна Графики найдите значение выделенного интервала по оси Y. Полученная величина вдвое превышает значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Сохраните график и числовые значения измеренных величин для включения в отчет.
2. Чтобы лучше рассмотреть данные, полученные при вертикальном вращении датчика, воспользуйтесь инструментом Увеличить на панели инструментов окна Графики.
3. Посредством двух курсоров определите разность между максимальным и минимальным значениями индукции при вращении датчика в вертикальной плоскости. В информационной панели окна Графики найдите значение выделенного интервала по оси Y. Полученная величина вдвое превышает значение индукции магнитного поля Земли. Запишите эту величину в тетрадь.
4. На основе двух последних значений рассчитайте угол наклона магнитного поля Земли. Запишите эту величину в тетрадь и сравните со значением угла, измеренным с помощью транспортира.
Анализ результатов эксперимента на ПК
1. Если в эксперименте данные поступали на КПК, то для их обработки на ПК проведите процедуру синхронизации КПК с ПК. В программе MultiLab выполните импорт данных. Если же данные отправлялись сразу в MultiLab ПК, то график данных уже перед вами.
2. Если график оказался слишком «шумным», то есть искаженным помехами, рекомендуем выполнить его сглаживание. Для этого нажмите на панели инструментов графика кнопку Сгладить 
.
3. С помощью двух курсоров определите разность между максимальным и минимальным значениями индукции при горизонтальном вращении датчика. В информационной панели окна Графики найдите значение выделенного интервала по оси Y. Полученная величина вдвое превышает значение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Запишите эту величину в тетрадь.
4. Чтобы рассмотреть данные, полученные при вертикальном вращении датчика, воспользуйтесь инструментом Увеличить на панели инструментов окна Графики.
5. С помощью двух курсоров определите разность между максимальным и минимальным значениями индукции при вращении датчика в вертикальной плоскости. В информационной панели окна графиков найдите значение выделенного интервала по оси Y. Полученная величина вдвое превышает значение модуля вектора индукции магнитного поля Земли. Сохраните это значение для отчета.
6. На основе полученных значений рассчитайте угол наклона и модуль вектора магнитной индукции магнитного поля Земли. Сравните полученное значение угла со значением угла, измеренным с помощью транспортира.
Вопросы для предварительного опроса и защиты ЛР
1. Какие объекты могут быть источником магнитного поля?
2. Как может быть определено направлением вектора магнитной индукции, его модуль?
3. Какой метод измерения 
использован в данной работе?
4. Где располагаются северный и южный магнитные полюса Земли?
5. Как примерно располагаются линии магнитной индукции магнитного поля Земли в Австралии, в Индии, Москве, на Северном полюсе?
6. Что больше: модуль вектора магнитной индукции полосового магнита в школьной лаборатории или модуль вектора магнитной индукции Земли в вашей местности?
Отчет по работе
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен содержать:
· формулировку цели;
· фотографию или рисунок, отражающий схему поиска направления, в котором датчик магнитного поля регистрирует модуль суммарного вектора магнитного поля Земли в данной точке пространства;
· данные о географической широте и долготе населенного пункта, в котором проводятся измерения;
· значения измеряемых величин в виде таблицы, результаты расчетов модуля и направления .
