Fyzika v 20M

Studium magnetického pole Země

První laboratorní cvičení ve třídě 20M SPŠST Panská věnujeme studiu magnetického pole Země.

Začínáme diskusí, kde jsou na Zemi severní a jižní geografické póly a jak souvisí jejich poloha s magnetickými póly magnetického pole Země. Fakt, že severní magnetický pól je v blízkosti jižního geografického pólu (a naopak), některé žáky trošku překvapil.

Zakreslení tvaru magnetických indukčních čar magnetického pole Země problém nebyl. Jejich orientace byla na tabuli nakreslena také ihned. O něco horší na geometrickou představivost bylo uvědomit si, že obecný směr vektoru magnetické indukce lze v daném bodě magnetické indukční čáry (a tedy i v daném bodě na povrchu Země) rozložit na dvě složky: na horizontální složku a vertikální složku.

„A právě tu horizontální složku budeme měřit. Tu totiž ukazuje jeden přes tisíc let starý přístroj …“, pokračuji v úvodu k měření.

„Kompas,“ ozve se ze třídy.

„Ano, kompas,“ souhlasím. „Abychom ale mohli měřit, potřebujeme ještě nějaké zařízení, které je zdrojem magnetického pole, a přitom magnetickou indukci tohoto pole můžeme nějak měnit,“ napovídám dále žákům.

Postupně dojdeme k závěru, že bude fajn použít cívku. Konkrétně by se mělo jednat o solenoid, který vytváří uvnitř své dutiny homogenní magnetické pole. Přitom velikost magnetické indukce tohoto pole umíme snadno počítat. Vložíme-li do cívky kompas tak, aby při nulovém elektrickém proudu tekoucím vinutím cívky ukazovala jeho střelka kolmo na osu cívky (a tedy i na směr magnetických indukčních čar homogenního pole cívky), bude se střelka po zapnutí elektrického proudu do vinutí cívky stáčet do směru výsledného magnetického pole. S využitím definice funkce tangens této úhlové výchylky a vztahu pro velikost magnetické indukce magnetického pole cívky lze už dopočítat hledanou velikost horizontální složky magnetické indukce magnetického pole Země.

„Díky použité goniometrické funkci se tomuto zařízení říká tangentová buzola,“ dodávám.

Po teoretickém úvodu můžeme přejít k vlastnímu měření.

„Cívka, kterou vám na měření půjčím, rozhodně nesplňuje parametry solenoidu, ale vychází s ní toto měření velmi pěkně,“ komentuju předem podomácku vyrobené cívky, v nichž je připraven i papírový držák na kompas.

Poté si žáci rozeberou pomůcky, zapojí a nechají si schválit elektrický obvod a proměřují nutné veličiny, na základě kterých pak budou moci dopočítat hledanou velikost horizontální složky magnetické indukce magnetického pole Země.

Ač bylo měření provedeno s jednoduchými pomůckami, bylo možné dopočítat důležitou charakteristiku magnetického pole Země. A o to zajímavější to pro žáky bylo, když s jednoduchými pomůckami naměřili hodnotu v řádu desítek mikrotesla!

Průběh měření důležité charakteristiky magnetického pole Země zobrazují fotografie.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl