地磁场的产生原因和
影响
地磁场的产生原因和影响（上）
关于地磁场的产生原因，目前，科学理论上还没有一个令人信服的说法，但是对于磁性的产生原因，比较公认的说法是：“一切磁现象都是由电流引起的”。根据这个道理，不少认为地磁场是由地下电流引起的，那么，维持地下持续电流存在的条件是什么？电源是什么？没有人能够解释清楚！
其实，目前的科学理论存在有很大的问题，造成对许多现象的不能够解释，为了促进科学的发展，就需要对过去的理论进行改造，甚至是一些权威的理论，该淘汰的应该予以探讨和废除，只有这样，科学才能取得发展和进步。
一、基本概念需要更新
1、“场”：
在人们的思维习惯中，“场”指的是某个“场所”或者是某个“地方”，比如：会场——开会的地方，广场——集会的地方，本意上指的是某个“区域”或者是某个“空间”，在物理学上，“场”指的是“空间力”，或者说是存在某种力的空间，比如说：存在有电力的空间称为电场，存在有磁力的空间称为磁场，存在有引力的空间称为引力场。
在研究电荷之间的相互作用时，电荷对电荷的相互作用力，并不需要电荷之间的直接接触，于是认为电荷能够在其周围空间产生一种特殊的物质——电场，因此，把电场当作是一种特殊的物质，从物理学意义上讲，“力”指的是物体之间的一种相互的作用，那么，物体与物体之间的相互作用怎么能够称为是一种“特殊的物质”呢？显然，把“场”描述为是一种特殊的物质是不合适的。这是“科学概念”的发展过程中不完善遗留下来的问题。
在自然界中，电荷能够对其它电荷产生作用力，是因为它能够向外发射一种人们看不见的“高速的带电物质流”，这种“高速的带电物质流”与其它电荷发生碰撞能够使其受到作用力，这是一种特殊的物质，我们把它称为“电场作用线”，因为，它能够产生“电力效应”，因此，又可以把它简称为电力线。因此，我们对“场”（或者是作用场）的定义是：
“作用场”是指明显存在有“场作用线”的空间，它是一个特殊的空间。那么：明显存在有电力线的空间称为是电场；明显存在有磁力线的空间称为是磁场，明显存在有引力线的空间称为是引力场。
2、“作用场的组成要素”有两个：即场源和场作用线。
3、过去认为：“一切磁现象都是由电流引起的”，如今应该调整为，“一切磁现象都是由电力线横向位移而产生的”，它是电力线在空间横向位移而体现出来的物质形态。
4、自然界中物质的存在形态
在自然界中，物质存在的基本形态有三种：实物、能量粒子、场作用线。
实物是指由原子、分子和基本粒子以及它们的聚集态而组成的客观实体；
能量粒子是指从实体上发射出来的以光速运动的电中性的物质微粒；
场作用线是指从客观实体上发射出来以光速运动的带电的物质流；
（参见《场作用线位移理论》之讨论）
二、单电子绕核产生的磁矩
在自然界中，电子是带最小电量的微粒，称为元电荷，它能够向外发射负电性的电力线，当电子在原子核外做平面式的圆周运动时，由于圆周电力线的条数和横向位移的速度都大于圆周内的，因此，在单电子轨道平面的垂直方位上，
能够显示出磁性，磁力线方向是圆周外围的磁力线方向，这称为单电子轨道的磁矩。
其产生机理如下图所示，电子在原子核外沿顺时针方向做平面圆周的绕核运动，由于电子外围电力线的横向位移，产生的磁力线方向是：在圆周外围磁力线方向是穿出纸面，在圆周内部磁力线是穿入纸面，其强度是内外磁力线强度之差，即显示的是圆周外围的磁力线方向，这是单电子轨道产生的磁矩，如图（1—1）所示。
三、单电子轨道产生的磁场
单电子绕核不仅能够产生磁矩，同时在它的绕核圆周上能够产生一种“管道式的磁场”，磁场是指明显存在有磁力线的空间（区域），因此，“管道式的磁场”的管道壁是由磁力线组成的，这种磁力场称为是微观磁力场——“微场”，它的产生机理是：
如图（1—2）所示，电子直线运动时，由于负电性电力线的横向位移产生的磁是以运动线径为圆心的同心圆，这些同心圆的疏密程度与同心圆的半径平方成反比（图b），从侧面看，这种磁力线组成的很像一个“短式弹簧”（图a）。
当电子在原子核外以极小半径做绕核运动时，产生的磁就是以“短式弹簧”为基础，划过一周而形成的形状，很像一个圈成圆周的圈簧，这是存在于绕核圆周上的微观磁力场。可见，单电子绕核，不仅能够产生“单电子轨道磁矩”，而且，还能够产生一个“微观磁力场”。
（注：在过去的研究中，由于电力线和磁力线这些场作用线是看不见的，所以理论上认为它们是不存在的，给微观运动的研究带来了困难，同时也制约了科学的发展，因此，电场作用线的发现，是人类科学发展史上的一个伟大的进步。
本文笔者之所以讨论电子绕核产生的“磁矩”和“微观磁力场”，是因为“磁矩”是一切磁体对外显示磁性的根本，而“微观磁力场”能够对其它绕核电子产生磁力束缚作用而形成一个“双电子轨道”，不论是“微观磁力场”还是“双电子轨道”都是前人尚未知晓的客观存在，属于重大的科学发现！
“双电子轨道”是两个电子在同一个微场平面沿相反方向绕核而形成的电子轨道，由于两个电子沿相反方向绕核，它们能够产生两个相反的磁矩，相互抵消，也就是说，“双电子轨道”对外则不能够显示出磁性。关于双电子轨道的产生机理，请参见《双电子轨道理论》之探讨。）
四、铁原子的微场结构形态
在原子结构中，原子核位于原子的中心，电子绕核能够形成“单电子轨道”和“双电子轨道”，它们都具有确定的平面，在原子核外能够沿着一个确定的轴线而定轴交叉，这样的结构称为原子的微场结构形态，简称为“微场模式”，“微场模式”的发现，对于研究原子结构和分子结构，具有非常重要的意义。
在“微场模式”中，“微场”磁力线具有横向位移特点，因此，它对正电荷具有排斥作用，微场与微场之间也是相互排斥的，这样，电子在原子核外分层排布，实际上就是微场的分层排布，每层的电子轨道是四个微场平面的定轴交叉，随着原子半径的增大，内层轨道能够出现叠交的状况而形成“过渡性元素”，在叠交轨道中，如果存在一个“单电子轨道”，它对外就能够显示出直线式的磁性，既它的磁力线是直线的，如果存在两个“单电子轨道”，对外则能够显示出“曲线磁性”，既它的磁力线是曲线的。
在铁的原子结构中，原子的内层电子就存在两个“单电子轨道”，如果铁与硅形成合金，则称为“矽钢”，内层两个单电子轨道仍然存在，内层原子实对外显示出曲线磁性，在外加磁场的作用下，能够随着外加磁场的变化而“受迫运动”，因此，它可以用来制作电动机和变压器的铁芯，如果铁与碳形成合金，铁原子的内层有一个“单电子轨道”与碳原子形成双电子轨道，双电子轨道像“橡皮筋”一样，把内层原子实“捆绑”，此时，内层原子实是一个直线的磁球，在外加强
磁场在作用下，能够与外加磁场方向一直而被磁化，当外加磁场撤消以后，磁性仍然存在，显示出硬磁性材料特征，如果铁与铬以8：1的比例形成合金，内层两个“单电子轨道”与铬形成了“捆绑”，其捆绑强度一般不能够被酸或碱破坏，则成为“不锈钢”材料，此时，如果完全没有单电子轨道时，这种不锈钢是不能够被磁化的，也不能够被磁铁吸引。
在铁原子的结构中，外层电子有两个，是两个单电子轨道，如图（1—3a）所示。铁原子的内层电子是4ｘ2式叠交轨道，也就是说，内层电子轨道是四个平面的定轴交叉，其中有两个双电子轨道与双电子轨道的叠交，分别占00和900方位，有一个双电子轨道和一个单电子轨道的叠交，占450和1350，如图（b）所示。因为，铁原子内层存在两个叠交式的单电子轨道，因此，对外显示两个单位的曲线磁，如图（d）所示。
在一氧化铁的氧化物中，铁元素的外层两个电子与氧原子形成双电子轨道，内层电子没有参与化合，此时，铁原子的原子实是曲线的磁性，如图（1—3d）所示，而在三氧化二铁中，铁原子除了外层两个电子参与化学键以外（形成绕两个原子旋转的双电子轨道），内层有一个电子也参与了化学键，（双电子轨道像橡皮筋，从内层与外面的原子形成了捆绑），此时的铁原子是三价的，内层
还存在一个叠交式的单电子轨道，对外显示的是直线磁，图中虚线所示，在四氧化三铁中，它是一氧化铁和三氧化二铁的合成，对外显示出一个单位的直线磁和两个单位的曲线磁，是天然的永磁体。
在化学元素周期表中，第四周期除了铁原子之外，还有钴和镍，它们的内层也存在有叠交式的单电子轨道，不论是4ｘ2式，还是3ｘ3式的，对外都能够显示出固有的磁性，因此，含有这些元素的的合金或者是化合物，在外加磁场的作用下，能够被磁化而显示出铁磁性特点，如果一些过渡性元素与氧原子形成化合物以后，其内层存在有单电子轨道，这些都属于铁磁性材料。
五、地磁场的产生原因
科学研究表明，地球的内部有一个很大很大的铁质地核，不论它是合金态的铁还是氧化态的铁，其原子的内层电子都存在有“叠交式的单电子轨道”，对外能够显示出其固有的磁性，这就是地磁，由于它处于地球的中心部位，质量很大，其磁性也很强，因此，地磁场的磁力线可以分布在整个地球的内部和地球的外部空间，这些磁力线是看不见的物质存在，在地球的表层附近，一些带有磁性的矿石，它们在自己的运动中或者是它们在自己的沉降过程中，要受到地磁场的作用，根据同名磁极排斥，异名磁极吸引的原理，其磁极方向也就会与地磁场方向相反，并不是什么地磁场的磁极倒转。在地球外围接近地面的区域，地磁场的磁力线受到地面下磁性物质的影响，其磁力线的随地理位置的不同而有差异。
地磁场产生的原因和影响（中）
关于地磁场的产生原因，目前，科学理论上还没有一个统一的说法，但是对于磁性的产生原因，比较公认的说法是：“一切磁现象都是由电流引起的”。根据这个道理，许多学者认为地磁场是由地下电流引起的，那么，维持地下电流的条件是什么？没有人能够解释清楚！
其实，地磁是地球中心的铁质地核对外显示的，铁核本身就具有磁性，而这个磁是由铁的原子结构决定的，目前，微观的力学理论还存在有相当的问题，电子云理论是想像力的产物，本质上是不存在的东西，所以，有时候物理理论的发展能够促进化学理论的变革，同时，化学现象又能够引证物理物理理论，比如，在各种作用场中，存在有看不见的场作用线，这些场作用线的发现和描述，就能够促进科学的发展，同时也可以用它来解释一些客观的现象，就需要我们去正确的对待它。
六、地磁场的磁力线分布
在地球的内部，由于存在一个质量很大的铁核，能够对外显示出电磁性，因此，在地球的表面和外围空间，存在有人们看不见的地磁场磁力线，其分布特征与“条形磁铁”外围的磁力线相似，离地面越远，其电磁场的磁力线分布越稀疏。
然而，地球并不是静止的，而是以一定的速度绕日“公转”，因此，电磁场的磁力线在地球运动的前方，存在“拉位性”磁力线密集，在地球半径的11倍的高层空间，磁力线密集的程度尤为集中，这是人造卫星探测到的，被科学家们称为是磁层，而在地球运动的后方，也存在“拉位性”磁力线疏散，被科学家们称为是磁尾，其边沿目前还没有测定清楚。
在地磁场的南北两极，像条形磁铁一样，是磁力线最为密集的地方，磁力线的密度最大，磁场强度最强烈，所以，来自太阳风中的带电粒子在这里就会发生很大程度的偏转，与空气分子发生碰撞造成空气分子发生电离的几率也就比其它地方大的多，这些被电离的空气分子再结合为分子时，就会向外发射出光子，这就是极光，因此，当太阳发生耀斑时，大量的带电粒子通过地球北极时，就会形成颜色斑斓的极光，尤其是在夜晚，颜色更为鲜艳夺目，白天也是可以产生激光的，只是白天受太阳光的影响，不容易看到罢了。
下图是地球外围磁力线的图示和一组张北极光的照片，去请读者欣赏
地磁场水平分量的测量 姓名：王秋来 专业班级：物科院11级物理学 学号：1108405037 【摘要】某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量x B ，⑺东向分量y B 。 确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量//B 三个独立要素。 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量//B 地磁场水平分量为：032 85a u N B b R = ? 【关键字】地磁场，水平分量，正切电流计，磁偏角。 1、实验目的 （1）学习测量地磁场水平分量的方法； （2）了解正切电流计的原理； （3）学习分析系统误差的方法 2、实验室提供的仪器和用具 亥姆霍兹线圈（N=700匝），地质罗盘（DL-I 型），直流稳压电源（DF173系列），电阻箱（ZX21型），直流电流表。 3、实验原理 3.1 地磁场与地磁要素 地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极
场。地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴
m m S N 与地球的旋转轴NS 斜交一个角度o 5.11,00≈θθ。所以地磁极与地理极 相近但不相同，地球磁场的强度和方向随地点、时间而发生变化。 地球表面任何一点的地磁场的磁感应强度矢量B 具有一定的大小和方向。在地理直角坐标系中如图2所示。O 点表示测量点，x 轴指向北，即为地理子午线（经线）的方向；y 轴指向东，即为地理纬线方向；z 轴垂直于地平面而指向地下。XOy 代表地平面。B 在xOy 平面上的投影//B 称为水平分量，水平分量所指的方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D 称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B 偏离水平面的角度I 称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N 极下倾，而在南半球，则磁针的N 极向上仰，规定N 极下倾为正，上仰为负。B 的水平分量 //B 在x 、y 轴上的投影，分别称为北向分量x B 和东向分量y B ；B 在Z 轴上的投影z B 称为垂直分量。故某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量 x B ，⑺东向分量y B 。 不难看出，它们是B 在各个坐标体系中的坐标值，比如z y x B B B ,,就是B 在直角坐标系中的坐标值，而,,//B B z D 和D 、//B 、I 则分别是B 在柱面坐标系和球坐标系中的坐标值，这三种坐标体系是彼此独立的，在它们之间，存在着如下的变换关系： z y x z y x B B B B B B tgI B B D B B D B B 2//2222//2//////,,,sin ,cos +=+==?=?= 图2
第28卷第4期延安大学学报(自然科学版)V o.l28N o.4 2009年12月Journal o fY anan U niversity(N atural Science Ed ition)D ec12009 地磁场测量的研究 赵晓伟 (延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000) 摘要:利用FD-HM-I型亥姆霍兹磁场测定仪及其所配备的高灵敏度毫特斯拉计传感器探头,测量地磁场水平及垂直分量,进一步测量出地磁场的大小和方向,改进了传统的测量地磁场的实验方法。 关键词:地磁场;测量;亥姆霍兹磁场测定仪;毫特斯拉计 中图分类号:O44115文献标识码:A文章编号:1004-602X(2009)04-0048-03 地磁场作为一种天然磁源,在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要的用途1地磁场的数值比较小,约为10-5T量级,其准确测量比较困难,但在直流磁场测量,特别是弱磁场测量中,却往往需要知道其准确数值,并设法消除其它因素对测量结果的影响。传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验[1-3],一般用探测线圈配以指针式交流电压表测量磁感应强度,由于线圈体积大、指针式交流电压表等级低等原因,测量的误差较大。近年来,在研究地磁场方面,科研工作者做了不少研究[4-8]。本文利用FD-HM-I型亥姆霍兹磁场测定仪及其所配备的高灵敏度毫特斯拉计传感器探头,测量地磁场水平及垂直分量,进一步测量出地磁场的大小和方向。所用的SS95A型集成霍耳传感器是一种高灵敏度优质磁场测量传感器,它的体积小(面积4mm@3 mm,厚2mm),其内部具有放大器和剩余电压补偿电路,采用此集成霍耳传感器(配直流数字电压表)制成的高灵敏度毫特斯拉计,可以准确测量0~2. 000mT的磁感应强度,其分辨率可达1@10-6T。因此,用它探测地磁场水平分量、地磁场垂直分量准确度较高,测量出地磁场的大小和方向,误差较小,是测量地磁场大小和方向的一种好方法,颇具推广价值。 1实验原理 为了减小干扰,其它铁磁物体远离实验装置。用水平仪将放置传感器探头的台面调节到水平,先放置一个罗盘,根据罗盘指针N、S极所指的方向测出地磁场水平分量的方向,作一条与罗盘指针N、S 极所指的方向所在直线相互平行的直线,调整传感器探头的方向,使传感器探头的法线方向与罗盘指针N、S极所指的方向相互垂直,移走罗盘,调节亥姆霍兹磁场测定仪面板上的毫特斯拉计调零旋钮,使毫特斯拉计显示为零(本毫特斯拉计为高灵敏度仪器,在台面上不同的位置,毫特斯拉计显示的最后一位可能有所不同,为防止其它杂散信号的影响,使毫特斯拉计显示为零),再调节传感器探头的方向使其与罗盘指针N、S极所指的方向一致(与前面所作直线相互平行),即与地磁场水平分量的方向一致,记录毫特斯拉计显示的数值,即地磁场水平分量B水平的大小。借助水平仪将传感器探头的法线方向调节到竖直,记录毫特斯拉计显示的数值,即地磁场垂直分量B垂直的大小。地磁场总量的大小用B地磁表示。 B地磁=B2水平+B2垂直(1) 地磁场的方向考虑它与水平方向的夹角,即磁倾角H为 H=arct g B垂直 B水平 (2) 这样,我们利用式(1)、式(2)就可以计算出地磁 收稿日期:20090826 作者简介:赵晓伟(1985)),男,陕西府谷人,延安大学物理与电子信息学院06级本科生。
实验五 地磁场测定 一．概述 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪(如正切电流计测地磁场实验仪)相比具有以下优点： 1．实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直。内转盘相隔ο180，具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。 2．新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T ，分辨率可达8710~10--T ，稳定性好。用本仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量地磁场参量准确度高； 3．本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电流计等地磁场实验仪所不能达到的。 本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验。 二．仪器技术要求 1．磁阻传感器 工作电压 6V ，灵敏度50V/T 2．亥姆霍兹线圈 单只线圈匝数N=500匝，半径10cm. 3．直流恒流源 输出电流0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程0—19.99mV ，分辨率0.01mV
5．测量地磁场水平分量不确定度小于3% 6．测量磁倾角不确定度小于3% 7．仪器的工作电压AC 220±10V 三．仪器外型
FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 (以下实验讲义和实验结果由复旦大学物理实验教学中心提供) 一．简介 地磁场的数值比较小，约510-T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的
实验二十九 地磁场水平分量的测量 1、教学目标 （1）学习测量地磁场水平分量的方法； （2）了解正切电流计的原理； （3）学习分析系统误差的方法 2、教学难点、重点 难点：地磁场的相关概念；正切电流计的原理。 重点：测量方法和测量公式。 3、实验室提供的仪器和用具 亥姆霍兹线圈（N=640匝，R=10cm ），地质罗盘（DL-I 型），直流稳压电源（DF173系列），电阻箱（ZX21型），直流电流表（0.5级，10Ma ），换向开关，水准器。 4、实验原理 4.1 地磁场与地磁要素 地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极场。地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴m m S N 与地球的旋转轴NS 斜交一个角度o 5.11,00≈θθ。所以地磁极与地理极相近但不 相同，地球磁场的强度和方向随 地点、时间而发生变化。 地球表面任何一点的地磁 场的磁感应强度矢量B 具有一定 的大小和方向。在地理直角坐标 系中如图2所示。O 点表示测量 点，x 轴指向北，即为地理子午 线（经线）的方向；y 轴指向东， 即为地理纬线方向；z 轴垂直于 地平面而指向地下。XOy 代表地 平面。B 在xOy 平面上的投影//B 称为水平分量，水平分量所指的 方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D 称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B 偏离水平面的角度I 称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N 极下倾，而在南半球，则磁针的N 极向上仰，规定N 极下倾为正，上仰为负。B 的水平分量//B 在x 、y 轴上的投影，分别称为北向分量x B 和东向分量y B ；B 在Z 轴上的投影z B 称为垂直分量。故某一地点O 的地 磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ， ⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量x B ，⑺东向分量y B 。 不难看出，它们是B 在各个坐标体系中的坐标值，比如z y x B B B ,,就是 图 1
地磁测量的重要意义 地磁场的特点 由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着磁场, 这个磁场就是地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量又迫切的需求。因此，磁场的测量已成为热点课题之一[1]。可以将地磁场近似地看作是地球中心有一个磁铁棒放，它的Ｎ极大体上对着南极，从而产生的磁场，其磁感线性状如图1.1所示。事实上，地球磁场的产生是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。 图1.1 地球磁场示意图 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们是不同的两种磁场。基本磁场是地磁场的主要组成部分，它源于地球的内部，相对来说比较稳定，变化缓慢。变化磁场起源于地球外部，并且很微弱[2]。 地磁场是一个向量场。常用的地磁参量有7个，即地磁场总强度F，地磁场的水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为水平强度的北向和东向分量，D和I 分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。
在地磁场观测中，通常用三个参量来表示地磁场的方向和大小： (1)磁偏角A，即地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量B所在的垂直平面（地磁子午面）与地理子午面之间的夹角； (2) 磁倾角Φ，即地磁场磁感应强度矢量B与水平面之间的夹角； (3) 地磁场磁感应强度的水平分量B，即地磁场磁感应强度矢量B在水平面 上的投影[3]。 地磁场的重要应用 地磁场数值较小约0. 5 ×10- 4T，其强度与方向也随地点而异。地磁场被视 为地球的一种重要的天然磁源，它在国家科研中有着重要用途。在地球科学的研究中，作为以地球系统的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科，研究和掌握地磁场的固有特性及其变化规律是地球科学研究的重要内容。在交通运输方面，可以通过检测由于车辆干扰而引起的地磁场的变化来反应车辆本身的特点及运动情况[4]。 除此之外，地磁还可以用于石油定向斜井钻井中；在海洋中，进行地磁测量可以保证航海的安全、海洋工程建设及了解海底构造；在陆地上，人们通过大规模的地磁测量及分析地磁偏角的变化去测定强磁性铁矿床、弱磁性铁矿床以及铜、镍、铬、金刚石等各种矿石的分布；在科学研究方面，地磁测量有助于人类了解地球的成因和延边过程，掌握火山的活动规律，地震预报等[5]；在军事上，可以作为战场环境重要参数对军事斗争的前期准备、部队战斗力的发挥都具有重要意义。 目前国内外在石油开采中，大都利用地磁测量和地磁偏角进行地下储油分布及及其构造的探测。 虽然人们天天生活在地球磁场的影响下，但是我们却无法靠自身的五官来感受和估计地磁场的大小和方向。所以利用地球磁场固有特点，设计和制备应用于地磁测量的磁性传感器，这对于地球科学、航天航空、资源探测、交通运输、空间天气、测绘等诸多技术领域都拥有巨大的应用价值。
实验报告磁阻传感器和 地磁场的测量 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
磁阻传感器和地磁场的测量 一． 实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率 )(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电 阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???=
地磁场和磁场中的临界极值问题 问题一、地磁场 1、下列关于地磁场的描述正确的是（） A.指南针总是指向南北是因为受到地磁场的作用 B.地磁两极与地理两极完全重合 C.地球周围的地磁场的磁感线是从地磁南极出发到地磁北极 D.我国宋代学者沈括正确找到了地磁场产生的原因 2、科考队进入某一磁矿区域后，发现指南针原来指向正北的N极逆时针转过30°（如 图的虚线），设该处的地磁场磁感应强度水平分量为B，则磁矿所产生的磁感应强度 水平分量的最小值为（） A．B B．2B 3、指南针是我国古代的四大发明之一。当指南针静止时，其N极指向如图1虚线(南北向)所示，若某一条件下该指南针静止时N极指向如图实线(N极北偏东向)所示。则判断正确的是() A．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有东向西的电流 B．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有西向东的电流 C．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有北向南的电流 D．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有南向北的电流 4、已知龙岩市区地磁场磁感应强度B约为4.0×10－5T，其水平分量约为3.0×10－5T。若龙岩市区一高层建筑安装了高50 m的竖直金属杆作为避雷针，在某次雷雨天气中，当带有正电的乌云经过避雷针的上方时，经避雷针开始放电，某一时刻的放电电流为1.0×105 A，此时金属杆受到地磁场对它的安培力方向和大小分别为() A．方向向东，大小约为150 N B．方向向东，大小约为200 N C．方向向西，大小约为150 N D．方向向西，大小约为200 N 5、每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来，地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向，使它们不能到达地面，这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来，在地磁场的作用下，它将( ) A．向东偏转B．向南偏转C．向西偏转D．向北偏转 6、2010年地球再次受到“太阳风暴”袭击，如图所示，在“太阳风暴”中若有一个质子以3.6×105 km/h速度垂直射向北纬60°的水平地面，经过此地面上空100 km处时，质子速 度方向与该处地磁场方向间的夹角为30°，该处磁感应强度B＝6×10－5T(e＝ 1.6×1019C)，则() A．该质子在此处受洛伦兹力方向向东，大小约为5×10－19N B．该质子一定会落到北纬60°的地面上
磁阻传感器和地磁场的测量 一．实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。
HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R R U ??? ? ???= 磁阻传感器的构造示意图 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如V V b 00.6=，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系，KB U U out +=0 上式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽范围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为：I R NI B 42 /301096.445 8 -?== μ 上式中N 为线圈匝数（500匝）；亥姆霍兹线圈的平均半径cm R 10=；真空磁导率270/104A N -?=πμ。
水平分量（高斯）重力分量（高斯）北京0.300.45上海0.350.35哈尔滨0.26 0.48南京0.34 0.36青岛0.30 0.40广州0.38 0.24香港0.37 0.22武汉0.34 0.36西安0.36 0.40郑州0.38 0.35厦门0.350.22椎骨0.260.42横滨0.300.33韩国首尔0.310.39阿曼0.350.24菲律宾马尼拉0.38 0.12越南胡志明市0.41 0.03缅甸仰光0.41 0.14泰国曼谷0.415 0.07马来西亚girongpo 0.40 -0.10新加坡0.40 -0.10印度尼西亚雅加达0.37 -0.24印度新德里0.350.30斯里兰卡科伦坡0.400.00巴基斯坦卡拉奇0.350.26伊朗德黑兰0.280.36土耳其伊斯坦布尔0.250.37黎巴嫩贝鲁特0.300.30伊拉克巴格达0.300.30以色列0.30 0.35科威特0.31 0.30利雅得0.34 0.22阿联酋迪拜0.34 0.22蒙古乌兰巴托0.22 0.54孟加拉国达卡0.38 0.24巴林0.31 0.30埃及开罗0.30 0.26尼日利亚拉各斯0.34 0.04利比亚的黎波里0.28 0.25阿尔及利亚阿尔及尔0.26 0.30苏丹喀土穆0.350.07塞内加莱达喀尔0.310.10加纳阿克拉0.3 10.04中国日本世界国家/地区亚洲和非洲著名国家的地磁场清单地区水平分量（Gauss）重力直接分量（Gauss）世界国家/地区清单-南非约翰内斯堡0.14 -0.28喀麦隆0.320.08迈阿密0.26 0.36锚地0.15 0.55檀香山0.29 0.22纽约0.17 0.53洛杉矶0.26 0.42旧金山0.26 0.44达拉斯，德克萨斯州0.250.44蒙特利尔0.150.54温哥华0.18 0.53墨西哥城0.30 0.32古巴哈瓦那0.270.40危地马拉0.31 28圣何塞哥斯达黎加0.31 0.24巴拿马巴拿马0.30 0.24牙买加0.27 0.31委内瑞拉加拉加0.28 0.25哥伦比亚波哥大0.30 0.20厄瓜多尔基多
地磁场的测定 行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。所以我们研究小组将对地磁场进行一系列的测定。下面我先对地磁场进行一些简单的介绍： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。大量的事实和证据表明，地磁场的磁极曾经互换过。 地磁场不是毫无变化的，它的强度与地磁极位置会改变。科学家发现，地磁极会周期性地逆反定向，这过程称为地磁反转。最近一次的反转是大约78万年前的布容尼斯－松山反转（Brunhes–Matuyama reversal）。对于澳大利亚红英安岩和枕状玄武岩的古地磁学（paleomagnetism）研究发现，地磁场的存在，估计至少已有35亿年之久[1]。地磁场会在太空与太阳风和其它带电粒子群流互相作用，因而形成磁层。地球磁层并不是球状的，在面对太阳的一面，其边界离地心的距离约为七万千米（随太阳风强度的不同而变化）。 磁极的位置 特性 地表上的地磁场强度并不均匀，强度因地理位置而有所变化：从0.3高斯（南美地区和南非）到0.6高斯（加拿大的磁北极附近，澳大利亚南部和一部分西伯利亚地区）。 地磁场类似磁铁棒，但是这种相似只是粗略的。磁铁棒或是其它永久磁铁的磁场是由于铁原子中的电子有序的运动而形成的。然而，地核的温度高于居里点（铁的居里点：绝对温度1043K），铁原子的电子轨道的方向会变得随机化，这样的
地磁场的测量 一、实验目的 1．掌握坡莫合金磁阻传感器的定标 2．测量地磁场水平分量和磁倾角的方法 二、实验仪器 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 三、实验原理 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约5 10 T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事，工业，医学，探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，因而在弱磁测量方面有广泛应用前景。 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁，钴，镍及合金等磁性金属，当外加磁场平行与磁体部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各相异性磁阻效应。
HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电 路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维和三维磁场）。它利用通常的 半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系公式 θρρρθρ2//cos )()(⊥⊥-+= 其中//ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会发生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 型磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为 铝合金带玻莫合金薄膜外加磁场电流 θＩ Ｍ外加磁场–+ Vout 偏置磁场 R +△R R +△R R -△ R R -△R Vb 图1 磁阻传感器的构造示意图 图2 磁阻传感器内的惠斯通电桥
地磁场水平分量的测量 地磁场的数值比较小，约T 105-数量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻 传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 【实验目的】 1.掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性 2.了解各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理 3.学会用磁阻传感器测定地磁场 【实验仪器】 地磁场实验仪、底座、转轴，带角度刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈 【实验原理】 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式： θρ-ρ+ρ=θρ⊥⊥2cos )()(∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图2所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示
用磁阻效应测量地磁场 地磁场的数值比较小，约10－5 T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特征及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 一、实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 本实验所用得HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率ρ（θ）依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 2()()cos ρθρρρθ⊥⊥=+-P （1） 其中ρP 、ρ⊥分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压U out 可以用下式表示为 out b R U U R ???=? ??? （2） 图1 磁阻传感器的构造示意图 图2 磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压，如U b =5.00V ，HMC1021Z 磁阻传感器输出电压U out 与外界磁场的磁感应强度成正比关系：
地磁场水平分量的测
地磁场水平分量的测量 地磁场的数值比较小，约10 5T数量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻 传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安 装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 【实验目的】 1.掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性 2.了解各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理 3.学会用磁阻传感器测定地磁场 【实验仪器】 地磁场实验仪、底座、转轴，带角度刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线 圈 【实验原理】 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附 着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率（）依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角，具有以下关系式： 2 （）（// ）cos （1）其中//、分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的 长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强 度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将
磁阻传感器与地磁场测量 Ⅰ. 关于地磁场的简介 地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，称为地磁场。地磁场的强度和方向随地点不同(甚至随时间)而不相同。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图1所示，而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地磁轴与地球自转轴并不重合，大约有11°交角。 在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均匀的，可用三个参量来表示地磁场的方向和大小(如图2所示)： 图1 地理南、北极与地磁南、北极 图2 地磁场的磁偏角、磁倾角和水平分量 (1) 磁偏角α，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图2中//B 与z 构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图2中x 、z 构成的平面)之间的夹角。 (2) 磁倾角β，磁场强度矢量B 与水平面(即图2的矢量B 和Ox 与Oy 构成平面的夹角)之间的夹角。 (3) 水平分量//B ，地磁场矢量B 在水平面上的投影。 测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场B 矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢，极为微弱。 Ⅱ. 本实验的方法介绍 一． 实验方法 利用磁阻传感器测量弱磁场的方法，实现地磁场水平分量的测量，并测出地磁场的大小与方向。 二． 实验所用的设备及材料
磁阻传感器与地磁场实验仪。 三． 实验的构思及原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图3所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式： θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图4所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为 ： b out U R R U ??? ? ???= (2) 图3 磁阻传感器的构造示意图 图4磁阻传感器内的惠斯通电桥 对于一定的工作电压b U ，磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系： KB U U out +=0 （3） （3）式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的
磁阻传感器和地磁场的测量 一．实验目的 掌握磁阻传感器的特性。 掌握地磁场的测量方法。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图6-8-1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+= ∥ 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图6-8-2所示，图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为b out V R U ??? ??=
地磁场水平分量的测量 【摘要】： 地磁场水平分量（horizontal component of geomagnetic field）：地磁场的总磁场强度矢量T在参考坐标系的XOY水平面上的投影，称为地磁场水平分量，通常用符号H表示。水平分量的数值在赤道附近最大，约为0.03～0.04mT，由赤道向两极数值逐渐减小，两极为零。地球上除高纬度地区以外，大部分地区地磁场水平分量是大致指北的，这个方向称为磁北。中国由南到北，水平分量逐渐减小，约从0.04到0.02mT。 【关键词】： 地磁场水平分量、亥姆霍兹线圈、正切电流 【引言】： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场 是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于 静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要 起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平 静变化和干扰变化两大类型。行军、航海利用地磁场对指 南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布 的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。 当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通 讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。 地磁场强度大约是0.5-0.6高斯，也就是5-6*E-5特斯拉（50-60μT）。 【实验目的】： 1.学习测量地磁场水平分量的方法 2.了解正切电流计的原理 3.学习分析系统误差的方法 【实验原理】： 亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）是一 种制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥 姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将 其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观 察，所以，是物理实验常使用的器件。因德 国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹而命名。