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地磁场水平分量的测量 实验

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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，⑸垂直分量，⑹北向分量，⑺东向分量。

确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量三个独立要素。

利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量
地磁场水平分量为：
【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。

图1
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的水平分量在x、y轴上的投影，分别称为北向分量和东向分量；B在Z 轴上的投影称为垂直分量。

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，⑸垂直分量，⑹北向分量，⑺东向分量。

图2
不难看出，它们是B在各个坐标体系中的坐标值，比如就是B在直角坐标系中的坐标值，而D和D、、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：
； （1）
如果知道其中独立的三个，其它四个就可以计算出来。

确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量三个独立要素。

3.2利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量
我们利用亥姆霍兹线圈制成一台正切电流计，亥姆霍兹线圈是一对
相同的圆形线圈，彼此平行而且共轴，两线圈平行放置，绕行方向一致，相互串联，其线圈的间距等于线圈的半径。

图3
在中心点附近较大范围内的磁场是相当均匀的，亥姆霍兹线圈在低磁场情况下既做磁化线圈，产生给定的磁场，又可做为弱磁场的计量基准，在较大的空间范围内，由于空间场的不均匀性引起的误差是很小的。

在亥姆霍兹线公共轴线的中点处，水平放置一罗盘，即构成了正切
电流计，如图3示。

在通电前，先将线圈平面与罗盘指针相平行，即线圈平面与地磁子午面一致。

然后在线圈中通以直流电，亥姆霍兹线圈产生的B’必和地磁场的水平分量相垂直，罗盘之中的磁针就在B’、两磁场所产生的磁力矩同时作用下偏离地磁子午面，与磁子午面成一定的角度θ，如图4所示。

图4
由图可知 （2）
亥姆霍兹线中点的磁场为 （3）
式中：N为线圈的匝数，为线圈的平均半径，I为流经线圈的电流强度，将（29-2）式代入（1）式得 （4）
即 （5）
式中。

对于同一个测量地点和给定的正切电流计，均为不变值，故K为一常量。

由（5）式可知，流过电流计的电流强度与磁针偏转角θ的正切成正比。

因此这种电流计称为正切电流计。

若能测得流过正切电流计的电流I，与罗盘指针的偏转角θ，即能测得地磁的水平分量值。

4、 实验内容
1.连接好线，调节正切电流计底座脚螺丝使水准器气泡调节至中
间，这会使罗盘位于水平位置，这样线圈平面就铅直了
图5
2.旋转整个正切电流计装置使线圈平面与罗盘磁针平行，即使线
圈平面与地磁子午面一致，并使磁针的N极指向“0”刻度线，这
样线圈通电后由线圈产生的磁场B G与地磁水平分量B R相互垂直。

3.旋转电流调节旋钮，改变通入正切电流计的电流值，从罗盘上
读得磁针的偏转角，为了消除罗盘磁针偏心误差，需从罗盘商读
的两个读数，，通过调节接线使电流换向，同样在罗盘上又可
读、,固定线圈匝数N=700，使输出电流分别为1mA 、2mA、3mA、4mA、5mA、10mA、15mA、20mA，读出、、、 4个读数。

4.测得一系列的偏转角值。

作I~tan图，由图线求出斜率b值，代
入
即可求得地磁场水平分量为
电流（mA）12345101520罗盘偏转角
正13263846486672771425374547677176反
13253644516975791224364449687478平均角度
132536.7544.7548.7567.57377.50.23
0.47
0.75
0.99
1.14
2.41
3.27
4.51
\
5.实验结果
N=700匝 R=95 mm
tan~I图
由图线得斜率b=4.44
=8×4π×10-7×700×4.44/(51.5×95)=2.925×10-5（T）
6.实验结论与分析
本次实验测得的地磁场水平分量为2.925×10-5特斯拉，但因为实验者对实验器材及操作方法不太熟悉对实验结果造成了一定的误差。

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地磁水平分量的测量

地磁水平分量的测量

测定 ， 地磁 北极 位 于 东 经 １ ３ ９ ． ９ 。 ， 南纬 ６ ６ ． ６ 。 的南
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 ０ 时， 受到 的磁力 矩 为
Ｌ一 一 Ｍ Ｂ∥ｓ ｉ ｎ ， （ １ ）
则
小磁 针 的转 动惯 量 ｊ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 一ｋ ｉ ．
当Ｂ 的方 向与地磁 水 平分 量 方 向 相 同时 ， 合
磁 场 Ｂ 为
Ｂ— Ｂ／ ／＋ ｋ ｉ ， （ ６）
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78
第 ３ ７卷 第 ４期
２ ０ １ ７年 ４月
物 理 实 验
ＰＨ ＹＳＩ ＣＳ ＥＸＰＥＲＩ Ｍ ＥＮＴＡＴＩ ＯＮ
Ｖ ０１ ． ３７ Ｎ Ｏ． ４ Ａｐｒ ．， ２Ｏ１ ７
地 磁 水 平分 量 的测 量
胡 小鹏 ， 周 进
（ 南京 大 学 物 理 学院 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ３ ）
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
宅家实验 地磁场的测量-地磁场测量居家实验

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五、实验记录和数据处理
1、原始数据记录
1）测量地点拍照上传。
2）测量水平及垂直分量，手机绕轴至少旋转两周，
phyphox原始磁感应强度变化曲线拍照上传。
表 1（测量地经纬度： A:
B:
）
BA(uT)
水平分量 B//max
水平分量 B//min
垂直分量 B⊥max
垂直分量 B⊥min
BB(uT)
表 2（测量地经纬度：A______）
随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合 ，现在他们之间约有5度左右的夹角。
图1 地磁场分布图
地磁场是一个矢量，对 于一个固定的地点来说，这 个矢量可以被分解为两个与 当地水平面平行的分量和一 个与当地水平面垂直的分量。 如果保持电子罗盘和当地的 水平面平行，那么罗盘中磁 力计的三个轴就和这三个分 量对应起来，如图2所示。
1）测量地球磁场的 水平分量
将手机水平放置，打 开磁力计开关，在水平 面上缓慢旋转手机(旋 转轴垂直地面)，找到 水平方向的峰值和谷值 ，计算水平分量。
图4 测地磁场水平分量
2）测量地球磁场的 垂直分量
将手机沿“南北”方向 水平放置，并沿此方向的 轴旋转手机，记录磁场在 竖直方向的磁场的峰值和 估值，由此计算磁场的垂 直分量
实验6 地磁场的测量
一、实验目的 1. 了解地球磁场及其分布特点 2. 了解磁力计的工作原理 3. 学习phyphox软件测量地磁场的方法
二、实验仪器 智能手机、phyphox软件、计算器
三、实验原理
1. 地磁场的分布 如图1所示，地球的磁场象一个条形磁体一样由地磁
南极（物理N极）指向地磁北极。在磁极点处磁场和当地 的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在 北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小 的单位是Tesla(特斯拉)或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。
西宁地区地磁场水平分量的测量

西宁地区地磁场水平分量的测量

B z称为垂直分量 。 故某一地点 O 的地磁要素有 : ① 地磁场总磁感应
图1 地球磁场
强度 B, ②磁倾角 I, ③磁偏角 D , ④水平分量 B∥ , ⑤垂直分量 B z , ⑥ 北向分量 B x , ⑦东向分量 B y 。 B x = B ∥
收稿日期 : 2008 - 09 - 02 作者简介 : 查保媛 ( 1962 —) ,女 ,河南新乡人 ,副教授 。
2
测量步骤
本实验采用 HH1713双路直流稳压电源 (输出电压 24V ) 、 D3 —61T19mA - TmA 表 ( 0 ～ 100mA ) 、 DQ Y - 1型地质罗盘仪、 HLD - MD - II型磁场描绘仪 (亥姆霍兹线圈单只匝数 n = 640匝 ,线圈平均半 - 2 径 R = 1010m ×10 m ,线圈间距 R = 10 10m ×10- 2m , 导线直径 0133m × 10 - 3 m , 线圈电阻约 81Ω ) 进行 测量 ,实验具体步骤如下 : ( 1 ) 调制描绘仪底脚螺丝使罗盘水准器气泡 至中间置 , 使罗盘位于水平位置 , 这样线圈平面就 基本铅直了 。 ( 2 ) 按图 4实验电路接线 ,将罗盘放置在亥姆 赫兹线圈轴线中心位置 , 构成一台正切电流计 。 (3) 通电前 , 旋转整个正切电流计装置使线圈
B′ θ = tan B∥
图 3
B ∥与 B ′ 关系图
( 2)
亥姆霍兹线圈公共轴线中点的磁场为
B′ =
μ 0N I R �
8 53 /2
( 3)
式中 : N 为线圈的匝数 , R �为线圈的平均半径 , I为流经线圈的电流强度 。 - 7 2 μ π × 10 N /A 0 = 4 将式 3 代入式 2 得 : 即
磁阻传感器与地磁场测量实验报告

磁阻传感器与地磁场测量实验报告

磁阻传感器与地磁场测量实验报告一、实验目的1、了解磁阻传感器的工作原理和特性。

2、掌握利用磁阻传感器测量地磁场的方法。

3、学会对实验数据进行处理和分析，得出地磁场的相关参数。

二、实验原理1、磁阻效应磁阻效应是指某些金属或半导体在磁场中电阻值发生变化的现象。

磁阻传感器就是利用磁阻效应来测量磁场的。

2、地磁场地磁场是地球周围存在的磁场，其强度和方向在不同的地理位置有所不同。

地磁场可以分解为水平分量和垂直分量。

3、测量原理通过将磁阻传感器放置在不同的方向，测量磁场在不同方向上的分量，然后利用三角函数关系计算出地磁场的大小和方向。

三、实验仪器1、磁阻传感器实验仪包括磁阻传感器、亥姆霍兹线圈、数字电压表等。

2、电脑及数据采集软件四、实验步骤1、仪器连接与调试将磁阻传感器与实验仪连接好，打开电源，预热一段时间，确保仪器正常工作。

2、测量地磁场水平分量（1）将磁阻传感器水平放置，旋转传感器，使数字电压表的示数最大，此时传感器的方向即为地磁场水平分量的方向。

（2）记录此时的电压值，根据仪器的标定系数，计算出地磁场水平分量的大小。

3、测量地磁场垂直分量（1）将磁阻传感器垂直放置，同样旋转传感器，使数字电压表的示数最大。

（2）记录电压值，计算出地磁场垂直分量的大小。

4、数据记录与处理将测量得到的数据记录下来，利用三角函数计算地磁场的大小和方向。

五、实验数据｜测量项目｜电压值（V）｜标定系数（V/T）｜磁场分量大小（T）｜｜｜｜｜｜｜地磁场水平分量｜＿____ ｜＿____ ｜＿____ ｜｜地磁场垂直分量｜＿____ ｜＿____ ｜＿____ ｜六、数据处理1、地磁场大小根据公式＄B ＝＼sqrt{B_{H}＾｛2} ＋ B_{V}＾｛2}｝＄，其中＄B_{H}＄为地磁场水平分量，＄B_{V}＄为地磁场垂直分量，计算地磁场的大小。

2、地磁场方向利用反正切函数＄＼theta ＝＼arctan\frac{B_{V}｝｛B_{H}｝＄计算地磁场的方向。