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。
利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量
第３１卷第３期大学物理实验Ｖｏｌ.３１Ｎｏ.３２０１８年６月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＪｕｎ.２０１８收稿日期:２０１８￣０１￣２０基金项目:２０１７年度甘肃省 十三五 教育科学规划课题(ＧＳ[２０１７]ＧＨＢ０３４５)文章编号:１００７￣２９３４(２０１８)０３￣００５２￣０３利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量董向成ꎬ宿忠娥ꎬ朱实强(兰州城市学院培黎石油工程学院ꎬ甘肃兰州㊀７３００７０)摘要:将四个巨磁效应电阻连成单臂电桥制成传感器ꎬ使之固定于亥姆霍兹线圈中心ꎬ改变线圈上的励磁电流强度使电桥阻值发生变化ꎬ获得电桥输出电压与亥姆霍兹线圈磁感强度的线性关系ꎮ在测量系统工作状态下ꎬ使测量系统沿水平方向旋转ꎬ即改变线圈磁场与地磁场水平分量间的夹角ꎬ可观测到传感器输出电压发生变化从而测量地磁场水平分量的值ꎮ关键词:巨磁阻效应ꎻ地磁场水平分量ꎻ传感器ꎻ测量中图分类号:Ｏ４４１.５文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１８.０３.０１５㊀㊀１９８８年法国科学家阿尔贝 费尔和德国科学家彼得 格林贝尔分别独立在铁㊁铬相间的多层膜及具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构发现ꎬ在微弱磁场的变化下磁性材料的电阻值会发生急剧的变化ꎬ这一变化被称为巨磁电阻效应(ＧｉａｎｔＭａｎｇｎｉｔｏ￣ＲｅｓｉｓｔｉｖｅꎬＧＭＲ)ꎬ与磁电阻效应对比ꎬ这一效应导致的磁性材料阻值变化超过了十几倍ꎮ由于巨磁效应的发现ꎬ费尔和格林贝尔共同获得２００７年诺贝尔物理学奖ꎮ巨磁效应发现后不久ꎬ就被应用到计算机存储技术中ꎬ众所周知ꎬ计算计硬盘是利用磁性材料来存储信息的ꎬ最早是采用锰铁磁体制成的磁头进行数据的读写ꎬ这种磁头的磁致变化非常小ꎬ磁头灵敏度不高ꎬ利用巨磁阻效应制成的磁头使读写灵敏度大大提高ꎬ引发磁盘向着大容量ꎬ小体积的方向发展ꎬ计算机的小型化也成为现实ꎮ近年来ꎬ巨磁阻效应在弱磁测量㊁磁导航㊁磁定位㊁磁传感器及非接确式电流测量等技术领域不断延伸[１ꎬ２]ꎬ应用价值不断被开发出来ꎮ１㊀实验原理及实验设备１.１㊀巨磁电阻效应原理巨磁电阻效应属于量子力学效应ꎬ由自旋电子穿过薄膜时发生散射引起磁性导体材料电阻率发生变化导致ꎮ图１㊀利用二流模型来解释ＧＭＲ效应机制㊀㊀如图１中(ａ)和(ｃ)所示ꎬ两层相同的磁性薄膜层中间夹一层导磁层ꎬ在无外磁场和有外磁场两种不同情况下ꎬ自旋电子穿过导体时的散射情况ꎮ其中图(ａ)所示ꎬ在无外磁场的情况下ꎬ当自旋电子穿过薄膜层时ꎬ由于薄膜层的磁化方向相反ꎬ不管电子自旋磁矩如何ꎬ电子都要被其中一层膜散射掉ꎬ电子较难通过其中一层薄膜ꎻ该导体的电阻表现为两个相同阻值的电阻并联如图(ｂ)所示ꎮ在有外磁场时ꎬ磁性材料两层膜的磁化方向和外磁场方向相同如图(ｃ)所示ꎬ当电子的自旋磁矩和薄膜磁化方向相同时ꎬ电子不被散射ꎬ导体材料是小电阻ꎬ当电阻自旋磁矩和薄膜磁化方向相反时ꎬ电子被散射ꎬ导体材料是大电阻ꎮ所以导体材料电阻表现为大电阻和小电阻的并联如图(ｄ)ꎬ图(ｄ)所示的等效电阻小于其中的最小最阻[３]ꎮ１.２㊀地磁场水平分量测量原理地磁场起源的理论解释还不完善ꎬ目前认为是由于地球内部物质的规律性运动起电所导致[４]ꎮ可以把地磁场看作一个偶极场ꎬ极轴与地球表面的两个交点被称为地磁极ꎬ地磁偶极轴与地球自转轴之间存在一个夹角ꎬ即地球南北极与地磁南北极不重合ꎮ地球表面上任意一点都具有其特有的地磁场ꎬ该点的地磁场的大小和方向主要由３个要素决定ꎬ分别是磁倾角㊁磁偏角㊁地磁场水平分量[５]ꎮ由于巨磁材料对微弱磁场有效大的电阻响应ꎬ利用这一原理制成巨磁阻效应传感器ꎬ巨磁阻效应传感器将四个巨磁效应电阻构成单臂电桥结构ꎬ单臂电桥抗干扰能力强ꎬ能减小外界对传感器电压输出的影响ꎬ使传感器的灵敏度和稳定性增加ꎮ通过改变加在巨磁电阻上的磁场ꎬ测量出电桥输出电压(Ｕ０)的值ꎮ待测磁场(Ｂ０)由亥姆霍兹线圈提供ꎬ改变亥姆霍兹线圈上的励磁电流(Ｉ)ꎬ计算出加在传感器上的磁场ꎬ获得电桥输出电压与磁场的线性关系从而达到测量磁场的目的ꎮ１.３㊀亥姆霍兹线圈的磁场与地磁场亥姆霍兹线圈由一对半径相同㊁线圈匝数相同的共轴原线圈组成ꎬ线圈内的电流方向一致ꎬ大小相同ꎮ线圈轴线附近能产生分布较广的均匀磁场区域ꎮ当两线圈的通电电流方向相同时ꎬ线圈内部形成的磁场方向也一致ꎬ亥姆霍兹线圈轴线上任意点的磁感应强度为[６]:㊀㊀Ｂ＝１２μ０ＮＩＲ２Ｒ２＋Ｒ２＋Ｘæèçöø÷２éëêêùûúú－３/２＋Ｒ２＋Ｒ２－Ｘæèçöø÷２éëêêùûúú－３/２{}(１)㊀㊀令线圈间距Ｘ等于线圈半径Ｒꎬ则在亥姆霍兹线圈轴线上中心Ｏ处磁感应强度为:Ｂ０＝μ０ＮＩＲ８５３/２(２)测量出亥姆霍兹线圈的匝数㊁半径及励磁电流即可得到加在巨磁电阻传感器上的磁场ꎮ调节巨磁电阻效应实验仪进入测量状态ꎬ保持工作电压㊁励磁电流㊁线圈间距㊁传感器位置等参数不变的情况下ꎬ旋转测量系统ꎬ使外待测量磁场的方向与地磁场之间的夹角(θ)发生变化ꎬ记录输出电压(Ｕ０)的值随角度的变化ꎬ利用线圈磁场与输出电压的线性关系计算出地磁场的水平分量(Ｂᵡ)ꎻ若要测量地磁场竖直分量ꎬ则应给仪器加装竖直方向旋转及角度测量设备ꎬ这里不加以讨论ꎮ２㊀数据处理及结果分析调节传感器工作电压(Ｕ)到５Ｖꎬ调节励磁电流由０ｍＡ到３００ｍＡ变化ꎬ每１０ｍＡ记录一次传感器上的输出电压(Ｕ０)ꎬ利用公式(２)计算加在传感器上的磁场(Ｂ０)ꎮ传感器上所加磁场与传感器输电压间的关系出图２所示ꎮ图２ 传感器上所加磁场与其输出电压的关系由图２可以看出ꎬ传感器输出电压与其上所加磁场成良好的线性关系ꎬ直线关系的斜率为５.３５ˑ１０－２ꎬ截距为０.８１ꎮ利用该关系即可由传感器输出电压计算出加在传感器上的磁场ꎮ将巨磁电阻传感器固定于亥姆霍兹线圈几何中心ꎬ实验仪器参数保持不变ꎬ旋转测量系统的方向ꎬ使地磁场水平分量与线圈磁场同向叠加ꎬ此时有传感器输出电压为最大ꎬ以该方向为基础分别顺时针及逆时针旋转ꎬ记录输出电压(Ｕ０)与角度(θ)间的变化关系ꎮ发现测量数据具有高度的对３５利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量称性ꎬ仅将顺时针及逆时针旋转过程中的０￣９０度的数据列出ꎬ并利用图２中拟合结果计算对应的磁场变化ꎬ数据如表１所示ꎮ表１㊀线圈磁场与地磁场夹角变化对测量结果的影响θ㊀㊀㊀㊀㊀０１０２０３０４０５０６０７０８０９０Ｕ０/ｍＶ顺时针２２６.４２２６.３２２６.２２２５.９２２５.５２２５.０２２４.４２２３.８２２２.９２２２.１逆时针２１７.７２１７.７２１７.８２１８.０２１８.３２１８.７２１９.３２２０.０２２０.９２２１.８Ｂ０/Ｇｓ顺时针１２.９３１２.９２１２.９１１２.９０１２.８８１２.８５１２.８２１２.７９１２.７４１２.７０逆时针１２.４６１２.４６１２.４７１２.４８１２.４９１２.５１１２.５５１２.５８１２.６３１２.６８㊀㊀由测量数据绘制线圈磁场与地磁场夹角关系ꎬ如图３所示ꎮ图３具有明示的对称特征ꎬ且符合余弦关系ꎬ顺时针旋转和逆时针旋转得到的测量结果在９０度时相交ꎬ充分说明测量结果的正确性ꎮ图３㊀线圈磁场与地磁场夹角变化对输出电压的影响由表１计算得到ꎬ学院物理实验楼内的地磁场强度约为０.２３Ｇｓꎬ该值与兰州地震台网给出的数据０.３１Ｇｓ存大较大的差别ꎬ这是由于建设物及测量设备周围金属材料以及输电线路对地磁场产生影响导致[７ꎬ８]ꎬ移动测量设备在建筑物中的位置发现对测量结果会产生明显影响[９ꎬ１０]ꎮ实验过程中将一些金属物质移近和远离测量设备ꎬ也明显观测到测量数据发生变化ꎮ参考文献:[１]㊀吴春姬ꎬ纪红ꎬ徐智博ꎬ等.巨磁电阻效应实验仪[Ｊ].物理实验ꎬ２０１５ꎬ３５(３):３３￣３６.[２]㊀孙晓洁ꎬ寇军ꎬ张笑楠ꎬ等.地磁导航技术研究进展[Ｊ].导航与控制ꎬ２０１６ꎬ１５(６):１￣６.[３]㊀赵维明ꎬ王明东ꎬ张加深ꎬ等.巨磁电阻效应在国防领域中的应用[Ｊ].国外电子测量技术ꎬ２００９ꎬ２８(７):６６￣６８.[４]㊀刘全稳ꎬ王威ꎬ李臻.地球磁场起源之粒子起电问题研究[Ｊ].地学前缘ꎬ２０１２ꎬ１９(６):２６０￣２６８.[５]㊀查保媛ꎬ宋宁青.西宁地区地磁场水平分量的测量[Ｊ].青海大学学报ꎬ２００８ꎬ２６(６):９７￣１００.[６]㊀刘竹琴.利用亥姆霍兹线圈测量地磁场强度及磁倾角[Ｊ].电子测量技术ꎬ２０１５ꎬ３８(５):１１９￣１２１.[７]㊀孙澍涛ꎬ焦成丽ꎬ任峻峰ꎬ等.分析引起地磁场观测值变化的一些因素[Ｊ].山西地震ꎬ２００７ꎬ８(２):１￣３.[８]㊀李军辉ꎬ王行舟ꎬ夏士安.安徽省地磁观测影响分析[Ｊ].地震地磁观测与研究ꎬ２００８ꎬ２９(６)ꎻ１２０￣１２５.[９]㊀姚志ꎬ杨华ꎬ孙继忠.基于巨磁电阻的转速测量在实验教学中的应用[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１６ꎬ２９(１):２６￣２９.[１０]帅国彬ꎬ胡建ꎬ吕磊ꎬ等.钴基非晶丝发动机转速测量仪[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１７ꎬ３０(５):２１￣２５.ＭｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆＧｅｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｄｂｙＧａｉｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＥｆｆｅｃｔＤＯＮＧＸｉａｎｇ￣ｃｈｅｎｇꎬＳＵＺｈｏｎｇ￣ｅꎬＺＨＵＳｈｉ￣ｑｉａｎｇ(ＢａｉＬｉｅＳｃｈｏｏｌｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｎｚｈｏｕＣｉｔｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧａｎｓｕＬａｎｚｈｏｕ７３００７０)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｆｏｕｒｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｅｆｆｅｃｔｒｅｓｉｓｔｏｒｓａｒｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｔｏｆｏｒｍａＷｈｅａｔｓｔｏｎｂｒｉｄｇｅｔｏｍａｋｅａｍａｇｎｅｔｉｃｓｅｎｓｏｒꎬｆｉｘｉｔｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅＨｅｌｍｈｏｌｔｚｃｏｉｌｓ.Ｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｃｏｉｌｓｔｈｅｒｅ￣ｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅＷｈｅａｔｓｔｏｎｂｒｉｄｇｅｉｓｃｈａｎｇｅｄꎬｔｈｅｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｂｒｉｄｇｅａｎｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｉｌｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎬｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｒｏｔａｔｅｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙꎬｔｈｅａｎｇｌｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｃｏｉｌｓａｎｄｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｇｅ￣ｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｓｃｈａｎｇｅｄ.Ｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅａｎｇｌｅｃａｕｓｅｓｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｔｏｃｈａｎｇｅꎬａｎｄｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｓｍｅａｓｕｒｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎻｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄꎻｓｅｎｓｏｒꎻｍｅａｓｕｒｅ４５利用巨磁阻效应测量地磁场水平分量。
地磁场水平分量的测量
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。
亥姆霍兹线圈是由一对完全相同的圆形导体线圈组成。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。