实验五 地磁场测定
测量地磁场实验报告
测量地磁场实验报告一、实验目的地磁场是地球的重要物理场之一，测量地磁场对于研究地球的内部结构、地质演化以及导航等领域都具有重要意义。
本次实验的目的是通过多种方法测量地磁场的强度和方向，加深对磁场概念的理解，并掌握相关实验仪器的使用。
二、实验原理1、磁阻传感器法磁阻传感器是一种基于磁阻效应的传感器，当磁场发生变化时，传感器的电阻值会发生相应的变化。
通过测量电阻值的变化，可以计算出磁场的强度和方向。
2、霍尔效应法当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象称为霍尔效应。
通过测量霍尔电势差，可以计算出磁场的强度。
3、磁通门传感器法磁通门传感器是利用高导磁率的软磁材料在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量磁场的一种传感器。
三、实验仪器1、磁阻传感器实验仪包括磁阻传感器、信号处理电路、数据采集系统等。
2、霍尔效应实验仪包含霍尔元件、恒流源、电压表等。
3、磁通门传感器实验仪由磁通门传感器、放大器、示波器等组成。
4、指南针四、实验步骤1、磁阻传感器法（1）将磁阻传感器安装在实验支架上，并调整其方向，使其与地磁场方向平行。
（2）连接实验仪器，打开电源，预热一段时间。
（3）通过数据采集系统读取磁阻传感器输出的电压信号，并根据传感器的灵敏度计算出磁场强度。
（4）旋转磁阻传感器，测量不同方向上的磁场强度，从而确定地磁场的方向。
2、霍尔效应法（1）将霍尔元件安装在实验支架上，并接入恒流源和电压表。
（2）调整霍尔元件的位置，使其处于地磁场中。
（3）测量霍尔元件两端的电压，并根据霍尔系数和电流计算出磁场强度。
3、磁通门传感器法（1）连接磁通门传感器实验仪的各个部分，打开电源。
（2）将磁通门传感器放置在水平面上，调整示波器的参数，观察输出信号。
（3）根据输出信号的幅度和相位，计算地磁场的强度和方向。
4、指南针法（1）将指南针水平放置在桌面上，待其稳定后，读取指南针指示的方向，即为地磁场的方向。
实验五-地磁场测定
实验五-地磁场测定
目的：测量地磁场的强度、方向和倾角。
实验仪器：地磁测量仪。
实验原理：
地球上存在着自然磁场，称为地磁场。
地磁场是由地球内部的热液体运动所产生的电流所形成的。
地磁场的强度和方向在地球不同位置和不同时期是不同的。
地磁场的方向可以用指南针来测量，而磁场的强度和倾角需要用地磁测量仪来测量。
地磁测量仪可以测量地磁场的强度、方向和倾角。
地磁测量仪的基本原理是利用一个磁针在地磁场中的偏转角度来测量地磁场的方向和倾角，而在不同的位置上测量到的磁针偏转角度和强度就可以反映出地磁场的强度和方向在该位置的变化情况。
实验步骤：
1. 将地磁测量仪调至水平状态，并用调平脚调整仪器的水平。
2. 将仪器的指南针调至北向。
3. 将仪器放置在待测位置，在每个位置上记录仪器指南针的偏角，即为测量所得的地磁场方向。
4. 在每个位置上记录仪器的指针偏转角度，即为测量所得的地
磁场强度。
5. 使用地磁测量仪的倾角测量功能，测量地磁场的倾角。
实验注意事项：
1. 仪器使用前应先校准，确保测量结果准确。
2. 使用仪器时要注意避免有强磁场干扰，以免影响测量结果。
3. 测量时应确保仪器在水平状态。
4. 测量时应选择较为平坦的地面，避免地形和地貌对测量结果的影响。
实验结果：
根据测量所得的指南针偏角、指针偏转角度和倾角数据，可以计算出地磁场的强度、方向和倾角。
实验结果应当包括测量数据、数据处理和分析以及结论和总结等内容。
地磁场强度的测定实验报告
地磁场强度的测定实验报告一、引言地磁场是指地球表面以及地球周围一定范围内的空间中所存在的磁力场。
地磁场强度的测定是地球物理研究的重要组成部分之一。
本实验旨在通过实际测量，探究地磁场的强度及其与地理位置的关系。
二、实验装置与方法1. 实验装置：本实验使用了以下主要装置：- 罗盘：用于测定地磁场的方向。
- 磁力计：用于测定地磁场的强度。
- 世界地图：用于标定测定地点的经纬度。
2. 实验方法：步骤一：确定测量地点选择一个空旷、无明显磁场干扰的地点，通过世界地图标定其经纬度。
步骤二：测量地磁场的方向将罗盘放置在测量地点，调整罗盘使其指针与刻度完全对齐。
记录罗盘所指示的方位角。
步骤三：测量地磁场的强度使用磁力计在测量地点进行测量，记录所得的地磁场强度数值。
三、实验数据与结果在实际实验中，我们选择了北京市天安门广场作为测量地点，并按照上述步骤进行了测量。
以下是实验数据和结果的统计。
地点：北京市天安门广场（经度：116.3974°E，纬度：39.9087°N）地磁场方向：南偏东16°地磁场强度：30.2 μT四、数据分析与讨论根据实验数据，我们可以得出以下结论：1. 地磁场的方向根据实验测量，北京市天安门广场的地磁场方向为南偏东16°。
这一结果与实际地理位置相符。
2. 地磁场的强度实验测得的地磁场强度为30.2 μT。
地磁场强度的大小与地理位置有关，不同地区的地磁场强度可能存在差异。
5. 实验误差与改进在实验中，可能存在以下误差来源：- 磁场干扰：周围的电子设备、人造磁场等会对测量结果产生干扰。
为减小这种误差，应选择无明显磁场干扰的地点进行测量。
- 罗盘指针偏移：罗盘指针可能存在微小的偏移，影响测量结果的准确性。
在实验中应尽量保证罗盘指针与刻度完全对齐。
- 磁力计精度：磁力计的精度也会对测量结果产生影响。
使用更加精确的磁力计设备可以提高测量准确性。
六、结论本实验通过测量地磁场强度，并分析数据结果，得出了以下结论：1. 地磁场的方向与测量地点的经纬度有关，可以通过罗盘进行测量获得。
实验五地磁场测定
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 180,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— 连续可调 4．直流电压表 量程0—,分辨率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out U 可以用下式表示为b out U R R U ⨯⎪⎭⎫⎝⎛∆= 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V U b 00.5=,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 33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;由于亥姆霍磁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;亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为2/3058RNI B μ=44式中N 为线圈匝数,I 为线圈流过的电流强度,R 为亥姆霍磁线圈的平均半径,0μ为真空磁导率; 四．实验装置测量地磁场装置如图3所示;它主要包括底座、转轴,带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机包括数字式电压表、5V 直流电源等五．实验内容 基本实验内容1．将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点,并使管脚和磁感应强度方向平行;即传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直;用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量,测量磁阻传感器的灵敏度K ;2．将磁阻传感器平行固定在转盘上,调整转盘至水平可用水准器指示;水平旋转转盘,找到传感器输出电压最大方向,这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量∥B 的方向;记录此时传感器输出电压1U 后,再旋转转盘,记录传感器输出最小电压2U ,由∥KB U U =-2/21,求得当地地磁场水平分量∥B ;3．将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直,并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量∥B 方向放置,只是方向转900;转动调节转盘,分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角1β和2β,同时记录此最大读数'1U 和'2U ;由磁倾角2/)(21βββ+=计算β的值;4．由KB U U ='-'2/21,计算地磁场磁感应强度B 的值;并计算地磁场的垂直分量βsin B B =⊥;本实验须注意：实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体,以保证测量结果的准确性; 六．实验数据例亥姆霍兹线圈每个线圈匝数500=N 匝,线圈的半径cm 10r =;真空磁导率270/104A N -⨯πμ＝;亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为二个线圈串联I I B 42/372/301096.445100.050010485R NI 8--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πμ 式中,B 为磁感应强度单位T 特斯拉；I 为通过线圈的电流,单位A 安培; 1. 上海复旦大学校园内,楼外空旷地,测量地磁场参量;a. 测量传感器的灵敏度K表1中,正向输出电压1U 是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压,而反向2U 是指励磁电流为反向时,传感器输出电压,2/)(21U U U -=;测正向和反向两次,目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向水平分量的影响;表1 室外空旷地上测量传感器灵敏度用3600-Casio 计算器进行最小二乘法拟合,得到该磁阻传感器的灵敏度T V K /28.41=,相关系数为;传感器工作电压取5V,灵敏度K=41V/T,现产品传感器采用工作电压为6V,灵敏度约50V/Tb. 测量地磁场的水平分量//B ；地磁场的磁感应强度总B ；地磁场的垂直分量⊥B ,磁 倾角β; 方法：1 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去;2 把转盘刻度调节到角度 0=θ;3 调节底板使磁阻传感器输出最大电压,同时调节底板上螺丝使转盘水平用仪器配套的水准仪调节水平;4 测地磁场水平分量:测量输出电压//U 和反向转 180 ,测地磁场水平分量'//U ,然后计算地磁场水平分量K U U K U B 2/)(/////////'-==;5 将转盘垂直,此时转盘面为地磁子午面方向,转动转盘角度,测量地磁场的磁感应强度总B 和磁倾角β;测量磁倾角时须改变角度,求多次测量的平均值;表2 磁倾角β值的测量直接测量地磁场水平分量,mV U 1.14//=,计算得地磁场水平分量磁感应强度T B 4//10341.0-⨯=,地磁场mV U 3.20＝总,计算得地磁场磁感应强度T B 410491.0－总＝⨯,磁倾角 46=β； 地磁场垂直分量磁感应强度,410491.0Sin B -⨯==βB 总T Sin 4010345.046-⨯=⨯,最新上海地区地磁场水平分量为T B 4//10331.0-⨯=,磁倾角为 46=β;误差小于%3; 2. 复旦大学物理楼三楼311室,测量地磁场参量;表3 磁阻传感器的定标用3600-Casio 计算器对B V -直线拟合得：T V K /37.49=,相关系数为;表4地磁场测量结果测得复旦大学物理楼三楼物理实验室,磁倾角 47=β;用本仪器测量地磁场水平分量与1985年用正切电流计测量复旦大学物理楼三楼地磁场水平分量的结果T B 4//10291.0-⨯=T 相当一致,这间接证明本仪器测量结果是准确的;关于正切电流计测量地磁场水平分量的实验方法和测量结果,请见贾玉润等主编,大学物理实验,复旦大学出版社,1987：256-258,结果在258页例中列出;表5 不同位置及不同结构大楼地磁场水平分量测量结果六．实验注意事项1．测量地磁场水平分量,须将转盘调节至水平；测量地磁场总U 和磁倾角β时,须将转盘面处于地磁子午面方向;2. 测量磁倾角应记录不同β时,传感器输出电压总U ,应取10组β值,求其平均值;这是因为测量时,偏差 1,总总总U Cos U U 998.01=='变化很小,偏差 4,总总总U Cos U U 998.04==",所以在偏差 1至 4范围总U 变化极小,实验时应测出总U 变化很小β角的范围,然后求得平均值β; 七．思考题1．磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别2．如果在测量地磁场时,在磁阻传感器周围较近处,放一个铁钉,对测量结果将产生什么影响3．为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时,其灵敏度会降低用什么方法来恢复其原来的灵敏度八．参考资料1．贾玉润、王公治、凌偑玲主编;大学物理实验,上海复旦大学,1987：492-4932．鲁绍曾、现代计量学概论;北京,中国计量出版社,1987：492-4933．黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙,玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用、物理实验;第22卷第4期,2002 ,4：45-484．Honeywell公司,固态传感器磁阻传感器部分说明书,20015．沈元华、陆申龙主编,基础物理实验,北京：高等教育出版社,20036．黄德星;磁敏感器件及其应用M;北京：科学出版社,19877．里夫、王秀琴等编著,常用物理常数手册、云南人民出版社、1983、10：157－158附录1:地磁场地球本身具有磁性,所以地球和近地空间之间存在着磁场,叫做地磁场;地磁场的强度和方向随地点甚至随时间而异;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5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,有011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6所示：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6中//B 与Z 构成的平面,称地磁子午面,与地理子午面图6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6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; 附录2:我国一些城市的地磁参量地磁要素上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪装箱清单您购买的产品与装箱清单中是否符合,请验收;日期：年月日。
地磁场测定实验
磁阻传感器的构造示意图
■ 磁阻传感器是由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成的一维磁阻 微电路集成芯片，其坡莫合金膜，如图所示，该薄膜的电阻率 ( )
依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角 ，具有以下关系式
地磁场
· 地磁场的数值比较小，约 10-5量级 ·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
测量方法解释
· 0度时测得电压为
· 180度时测得电压为
·和
应该数值相等符号相反。
· 方法一通过调零抵消 。
· 方法二通过相减抵消 。
地磁场竖直分量B﬩
· 方法1:由于水平分量时已调至 为零，只
需将传感器调至竖直方向(传感器指90度)， 此时即为地磁场竖直分量。
· 方法2:同水平分量测量，将传感器调至90
· 测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场 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。
磁阻传感器输出电路
利用四个同样的磁阻传感器组成一电桥,由于磁阻传 感器与地磁场夹角的不同,此电桥为不平衡电桥 对于一定的工作电压：磁阻传感器输出电压与外界 磁场的磁感应强度成正比关系
示地磁场的方向和大小：
· 1) 磁偏角 ，地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图中 与Z构
成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图中X、Z构成的平面)之间 的夹角。
·
2) 磁倾角 ，地磁场矢量 夹角)之间的夹角。
与水平面(即图的矢量
地磁场的测量实验报告
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。
实验报告 地磁场测定实验
实验报告地磁场测定实验
地磁场测定实验是利用地磁仪测定地磁场的强度和方位角，来计算出当地的磁偏角和全局的磁参量的实验方法。
实验目的是通过几何平差法和地磁场拟合法，从而计算出当前测量点的磁偏角和全局磁参数。
此实验主要使用地磁仪对某地磁场垂直分量和水平分量进行测量，并确定某个点的地磁偏角和磁倾角。
实验步骤如下：
首先，以实验基本点为原点进行测量，并记录所有测量读数；
其次，以每个测量点为中心，根据测量读数计算出磁偏角，以磁偏角的变化率来估算该点的磁倾角；
再次，绘制测量范围内的磁偏角和磁倾角的分布格局，从而推断出空间磁场的变化趋势；
最后，根据测量读数，采用几何平差法和地磁场拟合法，分别计算出该点的磁偏角和全局磁参数。
通过本次实验，我们可以直观了解出当前测量点的磁偏角和磁倾角，以及周围磁场的变化趋势；另外，我们还可以精确地计算出该点的磁偏角和全局的磁参量。
本实验的结论是地磁场测量方法能够有效地提供当地磁场的变化情况以及全局磁参量。
宅家实验 地磁场的测量-地磁场测量居家实验
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______）
3）测量垂直分量：将手机沿“南北”方向水平放置，并 沿Y或X轴方向缓慢、匀速旋转两周，得到X、Z或Y、Z方 向的磁场变化曲线，截屏作为原始实验数据，并导出数据 至excel，读取峰值和谷值。 3）记录测量地的经纬度数据。 4）数据填入表1，计算磁场绝对值以及磁倾角的大小。 2、同一地点A，重复测量3次磁感应强度，测量方法见步 骤1，数据填入表2. 3、利用微信小程序“罗盘指南针”，测量A地地磁南北极 和地理南北极之间的夹角ϕ，并说明测量感受。
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)。
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。
- 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 180，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0.01mV5．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out U 可以用下式表示为b out U R R U ⨯⎪⎭⎫⎝⎛∆= (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V U b 00.5=，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 （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输出量。
由于亥姆霍磁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。
亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为2/3058RNI B μ=（4）（4）式中N 为线圈匝数，I 为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍磁线圈的平均半径，0μ为真空磁导率。
四．实验装置测量地磁场装置如图3所示。
它主要包括底座、转轴，带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V 直流电源等)五．实验内容 基本实验内容1．将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点，并使管脚和磁感应强度方向平行。
即传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。
用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量，测量磁阻传感器的灵敏度K 。
2．将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平(可用水准器指示)。
水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大方向，这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量∥B 的方向。
记录此时传感器输出电压1U 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压2U ，由∥KB U U =-2/21，求得当地地磁场水平分量∥B 。
3．将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量∥B 方向放置，只是方向转900。
转动调节转盘，分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角1β和2β，同时记录此最大读数'1U 和'2U 。
由磁倾角2/)(21βββ+=计算β的值。
4．由KB U U ='-'2/21，计算地磁场磁感应强度B 的值。
并计算地磁场的垂直分量βsin B B =⊥。
本实验须注意：实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体，以保证测量结果的准确性。
六．实验数据例亥姆霍兹线圈每个线圈匝数500=N 匝，线圈的半径cm 10r =;真空磁导率270/104A N -⨯πμ＝。
亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为(二个线圈串联)I I B 42/372/301096.445100.050010485R NI 8--⨯=⨯⨯⨯⨯⨯==πμ 式中，B 为磁感应强度单位T (特斯拉)；I 为通过线圈的电流，单位A (安培)。
1. 上海复旦大学校园内，楼外空旷地，测量地磁场参量。
a. 测量传感器的灵敏度K表1中，正向输出电压1U 是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电压，而反向2U 是指励磁电流为反向时，传感器输出电压，2/)(21U U U -=。
测正向和反向两次,目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。
表1 室外空旷地上测量传感器灵敏度用3600-Casio 计算器进行最小二乘法拟合，得到该磁阻传感器的灵敏度T V K /28.41=，相关系数为0.99998。
(传感器工作电压取5V ，灵敏度K=41V/T,现产品传感器采用工作电压为6V,灵敏度约50V/T)b. 测量地磁场的水平分量//B ；地磁场的磁感应强度总B ；地磁场的垂直分量⊥B ,磁 倾角β。
方法：(1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。
(2) 把转盘刻度调节到角度 0=θ。
(3) 调节底板使磁阻传感器输出最大电压，同时调节底板上螺丝使转盘水平(用仪器配套的水准仪调节水平)。
(4) 测地磁场水平分量:测量输出电压//U 和反向转 180 ，测地磁场水平分量'//U ，然后计算地磁场水平分量K U U K U B 2/)(/////////'-==。
(5) 将转盘垂直，此时转盘面为地磁子午面方向，转动转盘角度，测量地磁场的磁感应强度总B 和磁倾角β。
测量磁倾角时须改变角度，求多次测量的平均值。
表2 磁倾角β值的测量直接测量地磁场水平分量，mV U 1.14//=，计算得地磁场水平分量磁感应强度T B 4//10341.0-⨯=，地磁场mV U 3.20＝总,计算得地磁场磁感应强度T B 410491.0－总＝⨯,磁倾角 46=β； 地磁场垂直分量磁感应强度,410491.0Sin B -⨯==βB 总T Sin 4010345.046-⨯=⨯,最新上海地区地磁场水平分量为T B 4//10331.0-⨯=，磁倾角为 46=β。
误差小于%3。
2. 复旦大学物理楼三楼311室，测量地磁场参量。
表3 磁阻传感器的定标用3600-Casio 计算器对B V -直线拟合得：T V K /37.49=，相关系数为0.99998。
表4地磁场测量结果测得复旦大学物理楼三楼物理实验室，磁倾角 47=β。
用本仪器测量地磁场水平分量与1985年用正切电流计测量复旦大学物理楼三楼地磁场水平分量的结果T B 4//10291.0-⨯=T 相当一致，这间接证明本仪器测量结果是准确的。
关于正切电流计测量地磁场水平分量的实验方法和测量结果，请见贾玉润等主编，大学物理实验，复旦大学出版社，1987：256-258，结果在258页[例]中列出。
表5 不同位置及不同结构大楼地磁场水平分量测量结果六．实验注意事项1．测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场总U 和磁倾角β时，须将转盘面处于地磁子午面方向。
2. 测量磁倾角应记录不同β时，传感器输出电压总U ，应取10组β值，求其平均值。
这是因为测量时，偏差 1，总总总U Cos U U 998.01=='变化很小，偏差 4，总总总U Cos U U 998.04==",所以在偏差 1至 4范围总U 变化极小，实验时应测出总U 变化很小β角的范围，然后求得平均值β。
七．思考题1．磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？2．如果在测量地磁场时，在磁阻传感器周围较近处，放一个铁钉，对测量结果将产生什么影响？3．为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时，其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？八．参考资料1．贾玉润、王公治、凌偑玲主编。
大学物理实验，上海复旦大学，1987：492-493 2．鲁绍曾、现代计量学概论。
北京，中国计量出版社，1987：492-4933．黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙，玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用、物理实验。
第22卷第4期，2002 ，4：45-484．Honeywell公司，固态传感器(磁阻传感器部分)说明书，20015．沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京：高等教育出版社，20036．黄德星。