地磁场水平分量的测量

第３３卷第１期大学物理实验Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.１２０２０年２月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＦｅｂ.２０２０收稿日期:２０１９￣１０￣０９基金项目:四川省大学生创新创业计划项目(Ｓ２０１９１４３８９１００㊁Ｓ２０１９１４３８９１０１)文章编号:１００７￣２９３４(２０２０)０１￣００４７￣０３基于智能手机地磁场水平分量的测量张㊀容ꎬ王星雨ꎬ郑鑫玉ꎬ胡㊀珊ꎬ黄全会(成都师范学院有色金属材料梯度杂化制备与性能研究所ꎬ四川成都㊀６１１１３０)摘要:利用智能手机的指南针功能ꎬ结合亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场ꎬ来进行普通物理实验中地球磁场水平分量的测量实验的改造ꎮ充分利用了手机的指南针的灵敏度高㊁无偏心误差以及读数准确的优点ꎬ减小了实验误差ꎮ同时ꎬ提高了利用生活中的常用工具来解决物理问题㊁激发学生学习兴趣的目的ꎮ关键词:亥姆霍兹线圈ꎻ指南针ꎻ地磁场中图分类号:Ｏ４￣３４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０２０.０１.０１２㊀㊀目前的智能手机都有内置的磁场传感器ꎬ一般用在常见的指南针或是地图导航中ꎬ帮助手机用户实现准确定位ꎮ其指南针又称电子罗盘ꎬ能精确地数字化读出与地磁场南北方向的夹角ꎮ若结合正切电流计用来测量地磁场ꎬ不仅避免了用普通机械罗盘灵敏度低㊁读数不准以及有偏心误差的缺点ꎬ同时手机是生活中使用最普遍的工具之一ꎬ对提高学生的学习兴趣大有裨益ꎮ通过对实验的改进ꎬ能使测量出地球水平磁场分量误差小于１.５％以内ꎮ１㊀原㊀理所谓正切电流计就是在亥姆霍兹线圈公共轴线的中点处ꎬ水平放置一罗盘ꎬ即构成了正切电流计ꎬ如图１所示ꎮ图１㊀正切电流计亥姆霍兹线圈是一对相同的圆形线圈ꎬ彼此平行而且共轴ꎬ两线圈平行放置ꎬ绕行方向一致ꎬ相互串联ꎬ其线圈的间距等于线圈的半径ꎮ在中心点附近较大范围内的磁场是相当均匀的ꎬ亥姆霍兹线圈在低磁场情况下既作磁化线圈ꎬ产生给定的磁场ꎬ又可作为弱磁场的计量基准ꎬ在较大的空间范围内ꎬ由于空间场的不均匀所引起的误差是很小的ꎮ在通电前ꎬ先将线圈平面与罗盘指针相平行ꎬ即线圈平面与地磁子午面一致ꎮ然后在线圈中通以直流电ꎬ亥姆霍兹线圈产生的ＢＨ必和地磁场的水平分量Ｂ１相垂直ꎬ罗盘之中的磁针就在ＢＨ㊁Ｂ１两磁场所产生的磁力矩同时作用下偏离地磁子午面ꎬ与磁子午面成一定的θ角度ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀两磁场之间的关系由图２可知㊀ＢＨＢ１＝ｔａｎθ(１)亥姆霍兹线圈公共轴线中心的磁场为ＢＨ＝８５３/２μ０ＮＩＲ(２)式中ꎬμ０＝４πˑ１０－７Ｎ/Ａ２ꎬＮ为线圈的匝数ꎬＩ为流经线圈的电流ꎬＲ为线圈的平均半径ꎬ将(２)代入(１)得Ｉ＝５３/２ＲＢ１８μ０Ｎｔａｎθ＝Ｋｔａｎθ(３)式中ｋ＝５３/２ＲＢ１８μ０Ｎꎬ对于给定了的正切电流计平均半径Ｒ和匝数Ｎ是定值ꎬ同一测量地点的地磁场水平分量Ｂ１也不变ꎬ故Ｋ为常量ꎮ由(３)可知ꎬ正切电流计线圈电流与罗盘偏转角的正切成正比ꎬ若能测出Ｉ与θ的关系ꎬ即可得出常量Ｋꎬ从而测量出地磁场水平分量Ｂ１值ꎮ实验电路如图３所示ꎮ图３㊀实验电路图３㊀实验方案我们以小米Ｍ１８０４Ｃ３ＤＥ手机作为实验对象ꎬ首先ꎬ找出手机的磁场传感器在机身中的位置ꎬ方法是先打开 指南针 功能ꎬ找一用永磁铁磁化后的大头针由远而近靠近手机ꎬ手机 指南针 会显示偏转角度ꎬ变换大头针的位置ꎬ偏转角度大的地方即是磁场传感器在机身中的大致位置ꎬ将其标记出来ꎮ按图３接线ꎬ以手机磁场传感器为准将手机放置在亥姆霍兹线圈轴线中心位置ꎬ构成一台正切电流计ꎻ调节正切电流计底座的底脚螺丝使水准器气泡调至中间位置ꎬ即使手机位于水平位置ꎬ这样线圈平面就基本铅直了ꎮ旋转整个正切电流计装置使线圈平面与手机 指南针 相平行ꎬ即使线圈平面与地磁子午面一致ꎬ并使手机 指南针 的Ｎ极指向 ０ 刻度线ꎬ这样线圈通电后由线圈产生的磁场ＢＨ与地磁水平分量Ｂ１相互垂直ꎮ调节电阻箱的阻值ꎬ改变通入正切电流计的电流值ꎬ从手机 指南针 上读得磁针的偏转角θ１ꎬ通过换向开关使电流换向ꎬ同样在手机 指南针 又可读出θ２ꎮ逐次增加电流值ꎬ可测得一系列的偏转角θ１㊁θ２值ꎮ则偏转角θ＝１２(θ１＋３６０－θ２)ꎮ将测得的电流Ｉ值与偏转角θ值作Ｉ￣ｔａｎθ图ꎮ由图线求出其斜率Ｋ值ꎬ代人式(３)ꎬ即可求得地磁场水平分量为Ｂ１＝８μ０Ｎ５３/２ＲＫ或用最小二乘法ꎬ设ｘ＝ｔａｎθꎬｙ＝Ｉꎬ求其回归系数ｂꎬ然后求得地磁水平分量为Ｂ１＝８μ０Ｎ５３/２Ｒｂ４㊀实验测量结果分析实际电路如图４所示ꎬ亥姆霍兹线圈的平均有效半径１００ｍｍꎬ单个线圈匝数５００匝ꎬ两线圈中心距离１００ｍｍꎮ图４㊀实际电路测量数据如表１所示ꎮ表中θ１㊁θ２分别为线圈励磁电流在正㊁反时的手机指南针偏转角ꎬ偏转角θ＝１２(θ１＋３６０－θ２)ꎮ同时ꎬ注意实验时将易产生磁场的仪器设备(如电流表㊁通电的线圈等)尽可能远离正切电流计以免干扰磁场ꎻ励磁电流在１５ｍＡ以下亥姆霍兹线圈产生的磁场在０.５ＧＳ以下ꎬ与地磁场强度接近ꎬ不会对手机造成损坏ꎬ但不要超过３０ｍＡꎬ以免磁场过强而损坏手机ꎮ表１㊀测量数据次数Ｉ/ｍＡθ１(度)θ２(度)θ(度)ｔａｎθＩ ｔａｎθｔａｎ２θ１２１６３４４１６０.２８６７０.０００６０.０８２２２４２８３３２２８０.５３１７０.００２１０.２８２７３６３８３２２３８０.７８１３０.００４７０.６１０４４８４７３１４４６.５１.０５３８０.００８４１.１１０５５１０５３３０８５２.５１.３０３２０.０１３０１.６９８４６１２５８３０３５７.５１.５６９７０.０１８８２.４６３９平均值０.９２１１０.００７９１.０４１４８４基于智能手机地磁场水平分量的测量用最小二乘法求其回归系数:ｂ＝Ｉ ｔａｎθ－Ｉ ｔａｎθｔａｎ２θ－ｔａｎθ２＝０.００７７７代入公式得:Ｂ１＝８μ０Ｎ５３/２Ｒｂ＝０.３４９(ＧＳ)与成都地区的地磁场水平分量０.３４６ＧＳ进行误差计算ꎬ相对误差为１.０２％ꎮ５㊀结㊀论本作品作为四川省大学生创新创业计划项目ꎬ充分利用了生活中非常普及的智能手机ꎬ其指南针功能的灵敏度高㊁无偏心误差以及读数准确的优点ꎬ减小了实验误差ꎮ同时ꎬ提高了利用生活中的常用工具来解决物理问题㊁激发学生学习兴趣的目的ꎻ通过实验让学生了解亥姆霍兹线圈产生磁场的特点ꎬ利用亥姆霍兹线圈产生的磁场与地磁场的相互作用ꎬ从而求出地磁场的水平分量ꎬ加深学生对所学知识的理解ꎮ参考文献:[１]㊀杨述武.普通物理实验(第五版)[Ｍ].北京:高等教育出版社ꎬ２０１８:１９２￣１９６.[２]㊀程素君.普通物理实验[Ｍ].南京:南京大学出版社ꎬ２０１１:１６￣１７.[３]㊀张开明.地磁场水平分量测量方法的探索[Ｊ].太原师范学院报ꎬ２００７ꎬ６(２):８８￣９１.ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆＧｅｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＢａｓｅｄｏｎＳｍａｒｔＰｈｏｎｅＺＨＡＮＧＲｏｎｇꎬＷＡＮＧＸｉｎｇｙｕꎬＺＨＥＮＧＸｉｎｙｕꎬＨＵＳｈａｎꎬＨＵＡＮＧＱｕａｎｈｕｉ(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＧｒａｄｉｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬＣｈｅｎｇｄｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１１１３０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＵｓｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐａｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｓｍａｒｔｐｈｏｎｅａｎｄｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙＨｅｌｍｈｏｌｔｚｃｏｉｌꎬｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅａｒｔｈ ｓｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｎｃｏｍｍｏｎｐｈｙｓｉｃｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｒｅｆｏｒｍｅｄ.Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙꎬｎｏｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙｅｒｒｏｒａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｒｅａｄｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｍｐａｓｓｏｆｔｈｅｍｏｂｉｌｅｐｈｏｎｅａｒｅｆｕｌｌｙｕｔｉｌｉｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｒｒｏｒｉｓｒｅｄｕｃｅｄ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｕｓｉｎｇｃｏｍｍｏｎｔｏｏｌｓｉｎｌｉｆｅｔｏｓｏｌｖｅｐｈｙｓｉｃｓｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｔｉｍｕｌａｔｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｌｅａｒｎｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚｃｏｉｌꎻｃｏｍｐａｓｓꎻｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ９４基于智能手机地磁场水平分量的测量。

地磁场水平分量地磁场是地球周围的磁场，是由地球内部的电流所产生的。

地磁场是地球与外部环境相互作用的重要组成部分，对于地球的物理、生物和地质过程都起着重要的调控作用。

在地磁场的测量中，地磁场水平分量是其中的一个重要参数。

本文将详细介绍地磁场水平分量的概念、测量方法和应用领域。

概念地磁场水平分量是指地磁场在水平方向（地表面或水平平面上）的分量。

地磁场通常用三个分量来描述，即水平分量、垂直分量和倾角分量。

水平分量指地磁场在水平方向的分量，垂直分量指地磁场在垂直方向（通常是垂直于地表面）的分量，而倾角分量指地磁场与水平方向之间的夹角。

地磁场水平分量的大小和方向与地球上的地理位置和地球内部的磁场分布有关。

地球的磁场并不均匀，其强度和方向在不同地点有所差异。

测量地磁场水平分量可以帮助我们了解地球内部的磁场结构，并用于导航、磁场勘探、地质勘探等领域。

测量方法测量地磁场水平分量的常用方法是使用磁力计。

磁力计是一种能够测量磁场强度和方向的仪器。

磁力计通常由磁场传感器、信号处理器和数据记录器组成。

在测量地磁场水平分量时，将磁力计放置在地面上或水平平面上，使其平面与水平方向垂直，然后记录磁力计测得的水平分量。

目前，磁力计的测量精度已经非常高，可以达到亚纳特（1纳特=10^-9特斯拉）量级。

在实际测量中，还需要对磁力计进行校准，以消除仪器本身的误差。

除了磁力计，地磁场水平分量还可以使用其他测量方法进行测量。

例如，使用磁场测量卫星可以获取大范围的地磁场数据，包括水平分量。

这种方法可以提供全球范围内的地磁场数据，并且具有高精度和高分辨率。

应用领域地磁场水平分量的测量在很多领域都有广泛的应用。

1. 导航地磁场水平分量可以用于导航系统中的方位确定。

通过测量地磁场水平分量，可以判断导航设备的朝向和位置，从而实现导航和定位。

例如，手机中的指南针功能就是基于地磁场水平分量来确定方向的。

2. 地磁场勘探地磁场水平分量的测量可以用于地磁场勘探。

地磁场水平分量的测量-实验
实验用的仪器有：一组磁力计、一台多参数计（带有计算机和配件）以及许多必要的设备。

实验步骤：
第一步：将磁力计放置在位置A上，然后于多参数计上复位，以消除以前在读取中可能存在的数据。

第二步：在多参数计上设置参数，以读取A处磁力计的地磁场水平分量值。

第四步：重复第二步和第三步的操作，但改变磁力计的位置，找到多个位置，读取其地磁场水平分量值。

第五步：对所得到的磁力计数据进行处理，整理成表格的形式，其中应当包括每次测量的位置A编号及其读出的地磁场水平分量值。

第六步：用类似于拟合的一种方法，将地磁场水平分量值拟合在一条线上，结果以直
线图形式展示。

以上就是地磁场水平分量的测量实验的全部步骤。

本实验目的旨在测量地磁场水平分量的大小，以用于地磁场的定位。

结果表明，地磁场水平分量总是伴随着经纬度变化而变化。

地磁场的测量实验报告一、实验目的地磁场是地球的重要物理场之一，它对地球的生态、通信、导航等方面都有着重要的影响。

本次实验的目的是测量地磁场的水平分量和垂直分量，并了解地磁场的基本特性。

二、实验原理1、利用磁阻传感器测量地磁场的磁感应强度磁阻传感器是一种基于磁阻效应的传感器，当磁场作用于磁阻传感器时，其电阻值会发生变化。

通过测量电阻值的变化，可以计算出磁场的磁感应强度。

2、测量地磁场的水平分量和垂直分量将磁阻传感器水平放置，测量得到的磁感应强度即为地磁场的水平分量；将磁阻传感器垂直放置，测量得到的磁感应强度即为地磁场的垂直分量。

三、实验仪器1、磁阻传感器2、数据采集卡3、计算机4、电源四、实验步骤1、连接实验仪器将磁阻传感器与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接，接通电源。

2、校准磁阻传感器在无磁场的环境中，对磁阻传感器进行校准，消除零漂和误差。

3、测量地磁场的水平分量将磁阻传感器水平放置，在计算机上记录测量数据。

4、测量地磁场的垂直分量将磁阻传感器垂直放置，在计算机上记录测量数据。

5、重复测量多次为了提高测量的准确性，对水平分量和垂直分量分别进行多次测量，并取平均值。

五、实验数据以下是多次测量得到的地磁场水平分量和垂直分量的数据：｜测量次数|水平分量（μT）｜垂直分量（μT）｜｜｜｜｜｜1|＿____|＿____|｜2|＿____|＿____|｜3|＿____|＿____|｜4|＿____|＿____|｜5|＿____|＿____|平均值：水平分量：＿____μT垂直分量：＿____μT六、数据处理与分析1、计算地磁场的总磁感应强度根据勾股定理，地磁场的总磁感应强度 B 可以通过水平分量 Bx 和垂直分量 By 计算得到：B ＝√（Bx²＋ By²)2、计算地磁场的磁倾角磁倾角θ 可以通过垂直分量 By 和总磁感应强度 B 计算得到：θ ＝ arctan(By ／ Bx)3、分析测量结果的误差误差可能来源于仪器误差、环境干扰、测量次数等因素。

地磁场水平分量的测量实验报告1. 实验目的通过地磁场水平分量的测量实验，了解地磁场的基本特性和测量方法，掌握地磁场水平分量的测量技巧和操作方法。

2. 实验原理地球上存在地磁场，它是由地球内部的自然磁场所产生。

地磁场的强度与地点、日期和时间等因素有关。

一般地球磁场垂直于地球表面的北极和南极之间的平面，称为地球的磁子午面，而水平面上的磁场分量叫做地磁场水平分量。

地磁场的测量方法主要有三种：飞行磁探、陆地磁探和海洋磁探。

陆地磁探是在地面上使用磁力计等仪器进行测量，通过目视或设备读数来获取数据。

3. 实验器材磁力计、细铁片、支架、水平仪、望远镜、三角板、直尺等。

4. 实验步骤（1）实验器材准备：将磁力计装在平整水平的铁板上，调整其变换装置，使磁针与磁场方向一致。

（2）实验地点选择：在开阔地面上选取一个平整水平的地点，安置仪器，保持地磁场垂直于磁力计，不受建筑物、障碍物及金属物质的影响。

（3）实验步骤：1. 水平安置磁力计，使其磁针与磁场方向一致。

2. 将望远镜调整至磁力计的标度上，并在三角板上安置细铁片，三角板的底边与罗盘水平。

3. 观察场地内可能影响罗盘方向的各种因素，避免振动、金属物质和电子设备等干扰。

记录罗盘的初始方位角度和时间。

4. 等待5分钟，让罗盘稳定在磁场方向，记录其方位角度和时间。

5. 在记录初始数据后，把细铁片向东或西移动一定的距离，保证细铁条与罗盘初始方位的夹角为30度。

6. 再等待5分钟，记录罗盘的方位角度和时间。

7. 按照上述方法，将细铁片向东或西移动，记录不同角度下罗盘的方位角度和时间。

8. 采集足够多的数据，计算平均角度和标准差。

5. 实验结果与分析实验过程中，需要注意各种可能影响罗盘方向的因素，如振动、金属物质和电子设备等干扰。

实验的平均角度和标准差可以通过计算得到，用于评估实验的准确性和可靠性。

6. 实验结论通过地磁场水平分量的测量实验，了解了地磁场的基本特性和测量方法，掌握了地磁场水平分量的测量技巧和操作方法。

地磁场水平分量测定实验你知道地球上有个看不见摸不着的东西——地磁场吗？对，你没听错，不是啥“鬼磁场”，而是真正的地球磁场！它从地球的南极到北极，像一只大手悄悄把地球包裹住了，帮助我们保持方向，指引着我们走向正确的路。

你想，地磁场就像是地球的“指南针”，随时随地给我们提醒。

可是，你想知道它是怎么工作的嘛？今天就带你了解一下地磁场水平分量的测定实验，看一看这个神秘的地球磁场到底是怎么被人类一探究竟的。

首先得说，地磁场其实是由地球内部的铁镍合金构成的外核运动产生的，而它的水平分量呢，就是指磁场在地面上水平的那部分。

这个东西，可不是随便一个人都能凭感觉测出来的！要想知道地磁场的水平分量，我们得通过实验来动手操作，这可不像做饭一样瞎弄，得讲究技术、讲究方法，不然测出来的结果能让你大吃一惊，惊讶的同时还不见得准确。

实验中最常见的测量工具就是“地磁仪”，它不仅能测出水平分量，还能给你显示磁场的方向、强度，简直是磁场爱好者的“宝贝”。

咱们先来谈谈怎么测。

实验中，大家通常会用一个叫“水平分量磁力计”的仪器，这个仪器长得挺简单的，但功能强大。

你把它放到一个水平的地面上，开始慢慢转动它，让它对准地球磁场的方向。

你可能想，简单啊，谁不会呢？但实际操作起来可不那么简单。

你得非常小心，不能让仪器歪了半点，否则就会影响到结果。

别小看这一点，大家往往会忽视这些细节，一不小心就会测出个“错”数据，最后哭笑不得。

在操作的时候，你的心情可能会有点复杂，心里想着：“这仪器是不是出故障了？”结果看着上面的指针晃来晃去，咔嚓咔嚓地响，简直让你想扔掉它。

不过呢，这些小问题都是小事。

只要你坚持下来，测出来的磁场水平分量就是你辛苦劳作的成果。

说白了，实验就是这么回事，动手做了才知道什么效果，不管你觉得是不是挺难，都得坚持到底。

你也会发现，测量磁场的方向和强度时，其实这不仅仅是一个学术任务，它更像是一场与自然力量的亲密接触。

你能感受到，地球好像在静静地对你说：“嘿，我就是这片大地的磁场，你感受到了吗？”就是这样，你会突然觉得，自己和地球的连接变得更加紧密了，似乎也能更好地理解它的奥秘。

实验二十五 地磁场水平分量的测量一 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二 仪 器 和 用 具亥姆霍兹线圈、罗盘、直流稳压电源、电阻箱、直流电流表、换向开关，水准器。

三 实 验 原 理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与地球的旋转轴NS 斜交一个角度。

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。

m m S N o5.11,00≈θθ地球表面任何一点心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 ，//B 图1称为水平分量，水平分量所指的、Z //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 D 和D、B 、I 则分别是B 在柱面坐，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：图2//z //标系和球坐标系中的坐标值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 +=+==⋅=⋅= I B I B B z csc sec //⋅=⋅=；x 如果知道其中独立的三个，yB B tgD = （1）其它四个就可以计算出来。

地磁场水平分量测量图像分析
地磁场水平分量测量图像分析是一种针对地球磁场中水平（水平方向）分量进行测量和分析的方法。

该方法涉及使用磁力计或磁场感应器等设备进行测量，并获取相应的磁场水平分量数据。

针对这些数据，可以进行不同的图像分析和处理。

在图像分析过程中，通常会进行以下操作：
1.数据采集：使用磁力计或磁场感应器等设备对地磁场进行实时或定期测量，并记录下水平分量的数值数据。

2.数据预处理：对采集到的数据进行预处理，如去除噪声、滤波处理等，以提高数据质量和可靠性。

3.数据可视化：将数据转化为图像形式，常见的表示方式包括二维图像、三维图像或曲线图等。

这样可以更直观地观察和分析地磁场水平分量的变化情况。

4.特征提取：从图像中提取有意义的特征信息，如峰值点、谷值点、波动范围等，通过对这些特征的分析可以获得地磁场水平分量的相关信息。

5.数据分析：利用统计学方法或其他分析手段对地磁场水平分量的数据进行分析，如均值、标准差、频谱分析等，以获取更多的定性或定量结果。

地磁场水平分量的测量地磁场的数值比较小，约10'T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。

薄膜的电阻率二（刃依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角71, 具有以下关系式：「（=）=》］：；；'（'//—匚）COS2二（1）其中几、'_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。

第1篇一、引言地球是一个巨大的磁体，地球磁场是地球内部和外部空间中的一种重要物理现象。

地球磁场分为水平分量和垂直分量，其中水平分量是指地球磁场在地表水平方向上的磁力线分布。

地磁场的水平分量对于地球科学、导航、通信等领域具有重要意义。

本文将从地磁场的水平分量的产生、分布规律、测量方法及其应用等方面进行探讨。

二、地磁场的水平分量的产生1. 地核磁场的贡献地球内部存在一个由铁磁物质组成的液态外核，在地核的运动过程中，磁流体动力学效应产生了地球的磁场。

地核磁场在地表产生的水平分量主要来源于地核内部的磁流体动力学过程。

2. 地壳和地幔磁场的贡献地壳和地幔中的磁性物质在地磁场中也会产生水平分量。

地壳和地幔的磁场主要来源于岩石中的磁性矿物，如磁铁矿、赤铁矿等。

这些磁性矿物在地磁场的作用下，会产生磁化现象，从而在地表形成水平分量。

3. 外部空间磁场的贡献地球外部空间存在一个由太阳风产生的磁场，即太阳磁场。

太阳磁场在地表产生的水平分量称为太阳磁场水平分量。

太阳磁场水平分量对地球磁场的影响较大，尤其是在太阳活动周期中，太阳磁场水平分量会发生变化，进而影响地球磁场的水平分量。

三、地磁场的水平分量的分布规律1. 地磁纬度分布规律地磁场的水平分量在地磁纬度上呈现一定的分布规律。

一般来说，地磁纬度越低，水平分量越大；地磁纬度越高，水平分量越小。

这是由于地球磁场在地磁纬度较低的区域受到地核磁场的较强影响，而在地磁纬度较高的区域受到地壳和地幔磁场的较强影响。

2. 地磁经度分布规律地磁场的水平分量在地磁经度上呈现一定的分布规律。

在地磁经度上，水平分量受到地核磁场和地壳、地幔磁场的共同影响。

一般来说，地磁经度上水平分量的分布较为复杂，但总体上呈现出一定的规律。

四、地磁场的水平分量的测量方法1. 地磁观测站测量地磁观测站通过地磁仪器对地磁场的水平分量进行长期观测。

观测站通常设置在地形平坦、地质条件稳定的地方，以减少外界因素对观测结果的影响。

地磁水平分量的测量胡小鹏;周进【摘要】用动力学的方法测量了地磁场的水平分量.通过改变电路中电流的大小和方向,测量磁针在地磁场水平分量和外加亥姆霍兹线圈产生的合磁场的共同作用下的简谐振动周期,用作图法得到合磁场为零的电流值,从而得到地磁场水平分量.%The horizontal component of geomagnetic field was measured using a dynamical method.By changing the value and direction of the current in a circuit, the harmonic vibration periods of a magnetic needle were measured in a hybrid magnetic field, consisting the horizontal component of geomagnetic field and an additional one from a Helmholtz loop.By plotting the data, the critical current was obtained when the net magnetic field on the needle was zero.Then the horizontal component of geomagnetic field was determined.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2017(037)004【总页数】5页(P27-30,38)【关键词】地磁场;亥姆霍兹线圈;补偿法;振动【作者】胡小鹏;周进【作者单位】南京大学物理学院,江苏南京 210093;南京大学物理学院,江苏南京210093【正文语种】中文【中图分类】O441地球是一个巨大的磁体，根据1965年的科学测定，地磁北极位于东经139.9°，南纬66.6°的南极洲威尔斯附近；地磁南极位于西经100.5°，北纬75.5°的北美洲帕里群岛附近. 地磁两极和地理两极并不重合，地球及近地空间存在着磁场，叫做地磁场. 在不太大的区域内，地磁场基本上是均匀的，可以用3个参量来表示地磁场的大小和方向，即水平分量、磁偏角和磁倾角. 地磁水平分量是地磁感应强度矢量B在水平面上的投影. 测量地磁场的水平分量或者地磁场的强度，常用的方法有正切电流计法[1]、霍尔传感器测量法[2]、磁阻传感器法[3]、磁力计法[3]、磁聚焦法[4]、磁针动力学法[5]、电子自旋共振测量法[6]等. 本文主要介绍在南京大学物理实验课程中使用的磁针动力学法，即通过亥姆霍兹线圈中心部分产生的辅助磁场，测量小磁针在合磁场中运动来测得本地区的地磁水平分量.地磁水平分量是该地理位置和地表层状态的函数，在一定区域内可以看作常量，这个值一般来说只能由实验方法来确定. 本文中确定实验所在区域地磁感强度的水平分量B∥,测量的思路是将小磁针用细线挂在磁场中，使其受到微扰而振动，测定其振动周期，从而确定磁感强度B的水平分量.图1中，B∥为均匀磁场的水平分量，悬吊的小磁针可以绕悬线C自由振动，当悬线与B∥夹角为θ时，受到的磁力矩为其中，M为小磁针的磁矩. 当θ很小时，sin θ≈θ，则(1)式变为根据转动定律，力矩等于转动惯量乘以角加速度,有即这是简谐运动方程，周期为则小磁针的转动惯量I以及磁矩M未知时，可以外加1个辅助磁场，一般为电流i产生的磁场，其大小为B′=ki.当B′的方向与地磁水平分量方向相同时，合磁场B为(5)式将变为调节电流i，从而改变T的大小，作出T-2与i的线性关系图，可以得出，当T-2=0时，有合磁场B→0，即本实验中采用亥姆霍兹线圈产生磁场. 亥姆霍兹线圈(如图2所示)，由2个半径均为R、匝数均为N、相距为R的通电线圈组成.其圆心连线中点即O点附近的磁场是均匀的，其方向由安培定律确定，其大小与线圈半径R、匝数N、通电电流i有关，经验公式为也可以用螺线管作补偿的电磁场，则在管内中心点O附近产生的均匀磁场的大小为式中L是螺线管长度，i是流过的电流，N是匝数.实验中提供了直流稳压电源、滑线变阻器、磁针、电子计时器、单刀开关S1、换向开关S2、安培表，以及产生磁场的亥姆霍兹线圈等仪器.首先，调节亥姆霍兹线圈的方位，使其轴线与小磁针指向相同，即将线圈产生的磁场Be调至地磁水平分量的方向. 图3为线圈控制电路，包含电流方向改变和电流大小的变化.接好线路后，判断亥姆霍兹线圈串接是否正确，即两线圈的轴线中间产生叠加磁场. 判断电流正反方向，当电流i产生的Be与B∥方向相同时为“+”，相反时则为“-”.在Be与B∥同向时，电流由3.00 mA至1.00 mA测量对应磁针的摆动周期；在Be与B∥反向时，电流由0.00 mA至10.00 mA(在合磁场为零附近，磁针振动慢，不宜测量)测量对应磁针摆动周期. 对每一电流测量3次，每次n=20个周期，取平均，数据见表1(表中).根据表1的数据，作出T-2-i的变化关系图. 数据作图时，将磁针指向发生反转，即合磁场方向和地磁场水平分量反向时测得的数据对横轴做镜像，从而作出图4.拟合出的直线和横轴的交点处电流的大小即为合磁场为零时对应的线圈中的电流，从图4中得到i0=5.05 mA.将线圈半径R=10.00 cm和线圈匝数N=650，以及i=5.05 mA，代入(9)式，计算出实验室本地的地磁场水平分量的大小为B∥=2.95×10-5 T.本实验是对刚入学的一年级学生开设的，大部分学生在中学时很少做实验，所以一些看起来比较简单的问题也需要教师进行引导.大部分学生在原理上都没有问题，即使没有微积分基础，只要用弹簧振子简谐运动进行类比，即可掌握其原理.实验中对亥姆霍兹线圈串接的判断：对给定的亥姆霍兹线圈，当电流串接正确时两线圈在中心轴线上磁场是叠加的，否则相互抵消. 实验中可以引导学生从磁场与电流的关系出发，使得理论与实验相结合. 电流正负判断也如此.实验中电流从3.00 mA到-10.00 mA,考虑到2点：1)磁场强，振动得快，测量误差大.2)在测量区间，振动周期由快变慢再变快. 许多学生都会感到困惑，引导学生，做实验时不仅要测量实验数据，而且要观察实验现象，因为在此区间，合成的磁场方向将发生变化，实验中是可以观察到的.实验中由于两磁场方向调节仅仅靠目测是比较粗糙的，而磁场是矢量，一般情况下合成方向与磁场方向基本相同，但在两磁场大小差不多，方向相反时就会出现明显的变化，在实验中要引导学生思考“如何根据该特点，更准确调节两磁场的平行”.地磁场是较弱的磁场，测量中很容易受到环境、实验仪器的干扰，而实验环境干扰是客观存在的，有时影响还会比较大；由于实验场地的限制实验仪器也会相互影响，所以实验中测量到的是磁针处的磁场.本文中介绍的磁针动力学法测量地磁场的水平分量，也可以用类似加辅助磁场的方法，测量磁针转动惯量，如可以在磁针的两端对称地放上形状规则的配重(配重转动惯量可计算)，通过改变配重在磁针上的相对位置，测量不同状态下的磁针振动周期，在测得磁场的情况下获得磁针的转动惯量，从而可以获得磁针的磁矩[7-8]. 实验中，在一定条件下磁针会出现振动-摆动-振动的转换现象，此现象也常常会引起学生的兴趣.【相关文献】[1] 杨树武. 普通物理实验(电磁学部分)[M]. 4 版．北京:高等教育出版社，2007:239-243.[2] 易易，柳玥，陆申龙. 测量地磁场水平分量的两种方法[J]. 物理实验，2000，20(9):45-47．[3] 沈元华，陆申龙，基础物理实验[M]. 北京:高等教育出版社,2003：204-208.[4] 王玉清，杨德甫,刘艳峰，等. 利用磁聚焦法测量地磁场的研究[J]. 物理实验，2009,28(7):36-38.[5] 胡小鹏，高文莉，万春华. 大学物理实验(理科)[M]. 南京：南京大学出版社,2012:102.[6] 刘竹琴. 利用电子自旋共振测量地磁场强度及磁倾角[J]. 大学物理，2012,31(6):37-40.[7] 朱晔明，王思慧，周进. 磁场及磁矩的测量实验[J]. 大学物理,2006,25(4):58-59.[8] 王思慧，刘振宇，江洪建，等. 磁针磁矩的测量和耦合磁针的实验研究[J]. 物理实验，2016,36(3):19-23.。