Sylwia Wójcik

Katarzyna Wolińska

ĆWICZENIE 46

• Wstęp

Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie składowej poziomej pola magnetycznego Ziemi za pomocą busoli stycznych.

Busola stycznych to układ złożony z cewki pierścieniowej i umieszczonej w jej środku igły magnetycznej. Pomiar składowej poziomej H_z pola magnetycznego Ziemi polega na porównaniu go ze znanym polem magnetycznym o natężeniu H_p, wytworzonym przez płynący w uzwojeniu busoli prąd. Po włączeniu prądu igła magnetyczna busoli odchyli się od kierunku północ – południe o kąt α, który jest zależny od natężenia prądu. Odchylenie to będzie spowodowane wspólnym działaniem pola magnetycznego Ziemi i pola magnetycznego prądu. Składową poziomą natężenia pola magnetycznego Ziemi (H_z) możemy wyznaczyć ze wzoru:

$$H_{z} = \frac{\text{nI}}{2r\ tg\alpha}$$

Gdzie: I-natężenie prądu, n -liczba zwojów busoli, r -promień zwojów, α -kąt odchylenia igły busoli

Busola stycznych może być używana do pomiaru natężenia prądu elektrycznego. Aby policzyć natężenie korzystamy ze wzoru:

$$I = \frac{2rH_{z}}{n}tg\alpha = K*tg\alpha$$

Gdzie: K – stała busoli stycznych $\text{\ \ \ \ \ }K = \frac{2rH_{z}}{\text{tgα}}$

Wyznaczanie wartości K dla danej busoli nosi nazwę cechowania busoli. Aby wyznaczyć stałą K nie stosuje się jednak podanego wzoru, ponieważ otoczenie zewnętrzne powoduje zakłócenia w polu magnetycznym ziemskim i wartości tablicowe H_z nie mogą być wykorzystane. Stałą K wyznacza się doświadczalnie, poprzez pomiar kąta wychylenia igły, gdy przez busolę płynie prąd o znanym natężeniu I, a następnie skorzystanie z zależności:

$$K = \frac{I}{\text{tgα}}$$

W naszym ćwiczeniu natężenie prądu zostało wyznaczone za pomocą woltametru miedziowego połączonego szeregowo z busolą. Woltametr miedziowy to szklane naczynie z wodnym roztworem CuSO₄, w którym zanurzone są dwie elektrody miedziane: anoda i katoda. Po podłączeniu katody do ujemnego bieguna źródła prądu, podczas przepływu prądu osadzają się na niej dodatnie jony miedzi Cu⁺⁺. Masę m wydzielonej na katodzie miedzi można obliczyć na podstawie pierwszego prawa elektrolizy Faraday`a:

m = kIt

gdzie: k – równoważnik elektrochemiczny miedzi: k=0,3294 mg/(A*s), skąd

$$I = \frac{m}{\text{kt}}$$

Podstawiając obliczoną wartość I, do wzoru na stałą busoli K, otrzymamy wartość K, która z kolei pozwala wyznaczyć składową poziomą pola magnetycznego Ziemi. Po połączeniu wzoru na H_z i K otrzymujemy:

$$H_{z} = \frac{\text{nK}}{2r}$$

• Wnioski

- przy pierwszej pozycji przełącznika kąt odchylenia igły α był większy niż przy pozycji drugiej, co oznacza, że w pozycji pierwszej natężenie prądu było większe niż w drugiej

-mimo upływu czasu kąt odchylenia igły zarówno w pierwszej jak i w drugiej pozycji przełącznika nie zmieniał się, co może świadczyć o tym, że przyrost masy katody nie ma wpływu na kąt odchylenia wskazówki

- po 36 minutach przepływu prądu masa katody zwiększyła się, co jest dowodem na to ze przepływający przez wodny roztwór CuSO₄ prąd elektryczny spowodował osadzanie się dodatnich jonów miedzi Cu⁺⁺

^- obliczona watrość H_z różni się od wartości tablicowej w niewielki stopniu, ta nieznaczna różnica może być spowodowana oporami przewodów łączeniowych oraz zaokrąglaniem liczb przy przybliżeniach