地磁场水平分量的测量解读
地磁三分量的测量研究
地磁三分量的测量研究存在于地球周围具有磁力作用的空间，称为地磁场。
地球磁场和地球引力一样，是一个地球物理场，是地球内部的物理性质之一。
地球的磁性，是地球上生命的保护伞，准确测量地磁场对震前预测、地质勘测等有着重要的意义。
描述地磁可以由三要素导出，文章即介绍采用正切检流法测量地磁三分量。
标签：地磁三分量；正切检流计法；亥姆霍兹线圈地磁场的存在，是使得地球的生命体得以不断延续的重要原因之一[1]，然而，对于地磁的成因，至今却还没有统一的定论。
地磁场的测量在指南、探矿、发电、预报自然灾害、解释自然现象等方面被广泛应用[2]，可见地磁场的测量是一项很重要的工作。
本实验主要介绍用正切检流计法测量地磁三要素。
1 实验装置实验构架如图1所示，它是由亥姆霍兹线圈、带角度盘的精密小磁针、电源、电流测量装置及导线组成[3]。
2 实验原理本实验用正切检流计法测地磁三要素，即通过测量在亥姆霍兹线圈所产生的均匀磁场中，通过观察小磁针在亥姆霍兹线圈磁场与地磁分量磁场的共同作用下所偏转的角度，来计算出线圈磁场强度与地磁分量磁场强度的关系，来得出地磁的三要素[4]。
通电前，让小磁针指向与亥姆霍兹线圈的轴线垂直。
这样当给亥姆霍兹线圈通电后，亥姆霍兹线圈的磁场方向与地磁的水平分量相互垂直。
亥姆霍兹线圈中心的磁场可以用下式表示：，其中是与亥姆霍兹线圈构造相关的常数。
上式表明，亥姆霍兹磁场与通电电流成正比，利用特斯拉计测量通以某一恒定电流的亥姆霍兹线圈的磁场，从而标定出线圈的K值。
改变亥姆霍兹线圈的电流，使小磁针的偏转角度为？兹。
因此只要知道亥姆霍兹线圈的磁场和小磁针的偏角，就可以计算得到地磁的水平分量。
用类似的方法，也可以测出地磁的竖直分量BZ。
因为设备的的问题，我们没有办法获得精确的磁偏角值，所以，本实验所采用的磁偏角为国家公布值。
利用地磁场水平分量的值和磁偏角的数据可以计算得到地磁的X分量和Y分量。
3 实验过程及数据处理3.1 转动仪器底座，使小磁针指向与亥姆霍兹线圈轴线垂直，0刻度线对准小磁针，调节通过亥姆霍兹线圈的电流，即旋转电位器，使小磁针分别偏25°、30°、40°、50°、60°、70°，记录对应的电流值。
地磁场磁感应强度B(水平分量)的测量
Ｂ ＝ Ｂ ＋ ；
Ｂ＝Ｂ × ｅ ＝Ｂ × ｓ ｆ 。 。 ｓ ｃ ｚｃ ｌ ｃ 若知道其中独立的三 个量 ， 他四个量就 其 可 以 计 算 出来 。
Ｂ ＝ ｔ ；ｊ ＋ ： Ｂ ×ａ ＝ ｎ Ｂ；
１地磁场的分布及地磁要素
地球 本 身 及其 周 围空 间存 在 的 磁 场 叫 “ 地球磁 场” 简称 地磁场 ， 其主要 部分是 一个 偶极场 。地心 磁偶极 子轴线 与地球 表面 的两 个交点 叫地 磁极 ， 磁的南（ ） 实际上是地 地 北 极 心磁偶极子的北（ 极。地心 磁偶极子 的磁轴 南） Ｎｍ ｍ与地球的旋转轴 Ｎ 斜交一个角度 ， Ｓ Ｓ ｌ．。 １ ５ 。所 以地磁极与地理极相 近但不 重合 ， 地球磁场 的强度和方 向随时 间、地点而
一
地面任何一 点的磁场的磁感应强度 矢量 具有 一定的 大小和 方 向。在地 理直 角坐标 系 中的地 磁要 素关 系图如 图 １所 示 。Ｄ 点表示 测量点 ， 轴指 向北 ， 即为地理子 午线（ 经线） 的 方向 ； 制旨向东 ， 即为地理纬线方 向 ； 垂直 西由 于地平 面而指 向地 下。ｘＯｙ代表地 平面 。 在 ｘＯｙ平面上 的投影Ｂ 称为水平 分量 ， 水平 分量偏 离地理真北 极的 角度 称为磁偏 角 ， 偏离水平面 的 Ｉ 角度称为磁倾角 。 的水平分 量Ｂ 在 Ｘ、 轴上 的投影 ， 分别称 为北 向分量 和东向分量 ， ； ｚ 在 轴上 的投影 称为垂 直分量 。故某一点 Ｄ的地 磁要素有 ： ） １地磁场 磁感应强度 ；） ２磁倾角 ；） ３磁偏角 ；） ４水平 分量Ｂ ５垂直分量 ； ） ） ６ 北向分量 ；） 向 ７东 分量 。由图 １ ， 知 在直角坐标 系内各量 间存
８ ０ ７ １ ０） ０
地磁场水平分量的测量解读
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 。
地磁水平分量的测量
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 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
地磁场水平分量的测量研究
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ
ｔｈｅ
ｆｉｅｌｄ（ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔａｎｇｅｎｔ ｇａｌｖａｎｏｒ】ｎｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ），ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ Ｊｉｎｚｈｏｕ ａｔ ｔｈａｔ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅ／ｔｓｏｎ ｏｆ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．
正切
电流计
图１正切电流计测地磁水平分量的原理图
图２罗盘读数图
注意：实验时将易产生磁场的仪器设备，（如：安培表、通电的线圈等）尽可能远离正切电流计，以免 干扰测量。因为地球是一个大磁体，在地球表面上一点周围的磁感线可近似认为平行于水平面的，为使
收稿日期：２００９．０６—１９ 基金项目：辽宁省高等学校科学研究计划项目（２００８００６）。 作者简介：李微（１９７９一），女，辽宁义县人，渤海大学教师，硕士。
正切电流计法
１）按图１接线，将罗盘放在亥姆霍兹线圈轴线中心位置。 ２）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，（即使罗盘位于水平位置）这样线 圈平面就基本铅直了。 ３）旋转整个正切电流计装置使线圈平面与罗盘 磁针相平行，即使线圈平面与磁子午面一致，并使磁 针的Ｎ极指向“０”刻度线，这样线圈通电后由线圈产 生的磁场与地磁水平分量Ｂ∥相互垂直。 ４）调节电阻箱的阻值，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ｅ，，为了消除罗盘的磁针偏心误差，须从罗盘上读得两 个读数ｅ】，ａ２，如图２：通过换向开关使电流换向，同样在罗盘上又可读得 两个读数８３，８４，则偏转角：ｅ＝（０１＋０２＋０３＋０４）１／４。偏转角在０－－９０。之 间，而取４５。时的相对误差最小。 ５）逐次增加电流值，可测得一系列的偏转角日值。用最ｄｘ－－乘法， 设ｚ＝ｔａｎ０，了＝Ｉ，求其相关系数、回归常数口和回归系数ｂ，然后求得 本地区四月时地磁场水平分量Ｂ／／为（４．５３±０．１０）×１０＿５Ｔ＝（０．４５± ０．０１）高斯。
地磁场水平分量
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
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。
霍尔效应测地磁场水平分量
霍尔效应测地磁场水平分量1. 引言嘿，大家好！今天咱们聊聊一个听上去有点高大上的话题——霍尔效应，尤其是它如何帮助我们测量地磁场的水平分量。
别担心，这可不是一门深奥的科学课，咱们会用简单的语言，轻松幽默地来探讨这个话题。
想象一下，科学也可以像喝茶一样惬意，不是吗？2. 霍尔效应是什么2.1 简单概念首先，霍尔效应是什么呢？简单来说，霍尔效应是当电流通过一个导体时，如果这个导体置于一个磁场中，就会在导体的两端产生电压。
哇，听上去好神奇，是不是？这就像当你在河边划船，水流一冲，船就会歪掉一样。
其实，霍尔效应就像是磁场给电流“打了个招呼”，让它产生了点小波动。
2.2 实际应用那么，这个现象有什么用呢？举个简单的例子，霍尔效应在很多地方都有应用，比如汽车的速度传感器、电子元件的检测等等。
它帮助我们监测各种电气信号，让我们在日常生活中变得更加智能。
听起来是不是很酷？就像魔法一样，哈哈！3. 地磁场的水平分量3.1 什么是地磁场接下来，咱们来说说地磁场。
地磁场是地球自身产生的磁场，它像一层无形的保护罩，包围着我们的星球。
你可能不知道，地球就像一颗大磁铁，有南北极，磁场的方向和强度在不断变化，就像变幻莫测的天气一样。
3.2 水平分量的意义地磁场有水平分量和垂直分量，今天咱们主要关注的是水平分量。
这个水平分量就像一个GPS导航，它能帮助我们确定方向。
如果没有这个信息，我们可能会迷失在广阔的宇宙中，哈哈！地磁场的水平分量还对动物的迁徙、航海等活动起着至关重要的作用。
4. 如何利用霍尔效应测量地磁场4.1 实验原理说到这里，你可能会好奇，怎么用霍尔效应来测量地磁场呢？其实，方法并不复杂。
我们可以将一个霍尔元件放置在地磁场中，电流通过它，然后在霍尔元件的两端就会产生电压，这个电压的大小和方向就可以告诉我们地磁场的水平分量了。
是不是觉得像解谜游戏一样？4.2 实际操作在实验中，我们需要一些设备，比如电源、霍尔传感器和一些测量仪器。
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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 。
图 1
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 +=+==⋅=⋅= I B I B B z csc sec //⋅=⋅=；x y B B tgD = （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//B 三个独立要素。
4.2 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量//B
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。
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//B 相垂直，罗盘之中
的磁针就在B ’、//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。
由图可知 θtg B B =//
' （2） 亥姆霍兹线中点的磁场为 2358
'⋅=R NI
B μο （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，27/104A N -∏⨯=μο将（29-2）图3 图4
式代入（1）式得θμοtg R NI B ⋅=2/3//58 （4） 即 θθμοKtg tg N
B R I ==85//2/3 （5） 式中N
B R K μο85//2/3=。
对于同一个测量地点和给定的正切电流计，N R B 和,//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//B 值。
5、 实验内容：利用自制的正切电流计测量地磁场的水平分量。
6、实验电路和测量公式
实验电路如图5所示。
测量公式：
b R
N B ⋅=2/3//58μο， 其中I b tg θ
= 7、主要步骤和数据处理要求
按教材p316进行
8、思考题
教材p317 预习思考题3、4；复习思考题 2
图5。