地磁场水平分量的测量知识讲解
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
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______）
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)。
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。
磁场的测量
磁场的测量【实验目的】（1）学会用“正切电流计法”测量地磁场水平分量B//。
（2）用磁阻传感器测量地磁场【实验原理及步骤】在我们周围到处都存在着磁场，同时磁场也为我们所用。
由于磁场存在的形式比较复杂，在测量时，首先需要知道被测量磁场的性质和磁场强度的大小，以此来选择正确的测量方法。
1. 地磁场地球本身具有磁性，地球及近地空间存在的磁场叫做地磁场。
地磁场的强度和方向随地点、甚至随时间变化而变化。
地磁的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图5.5.1所示，而且两者间的偏差随时间不断地缓慢变化。
在一个较小的范围内，地磁场基本上是均匀的。
地磁场可用三个参量来表示其方向和大小，如图5.5.2所示。
（1）磁偏角α。
地球表面任一点的地磁场强度矢量B所在的垂直平面（图5.5.2中B z所构成的平面，称地磁子午面）与地理子午面（图5.5.2中xz构成的平面）之间的夹角。
（2）磁倾角ϕ。
地磁场强度矢量B与水平面（xy平面）之间的夹角。
（3）水平分量B//。
地磁场强度矢量B在水平面上的投影。
地磁场存在于三维空间内，测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场的B 矢量的方向和大小。
这三个参量实际上是随时间在不断地改变，但这一变化极其缓慢、微弱。
图5.5.1 图5.5.22. 用“正切电流计法”测量地磁场水平分量B//1）实验前仪器调节“正切电流计”的结构如图5.5.3所示，它主要由亥姆霍兹线圈和罗盘构成。
亥姆霍兹线圈是由一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈组成，两线圈内的电流大小相同、方向一致。
线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R。
这种线圈的特点是能够在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场。
在亥姆霍兹线圈的公共轴线的中点处水平放置一个罗盘，就构成了“正切电流计”。
图5.5.3根据仪器的结构，在探测器盒盖的顶端安装罗盘，盒盖上设有2个定位螺丝，用于确定罗盘的位置；另有一个锁紧螺丝，用于固定罗盘。
将水平轴升降紧固螺丝松开，使水平轴降至升降板滑槽的下端，调节的目的是使罗盘的指针定位于线圈的轴线上。
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。
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地磁场水平分量的测
地磁场水平分量的测量
地磁场的数值比较小，约10 5T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（）依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角，具有以下关系式：
2
（）（// ）cos （1）其中//、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。
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，弓I 起电阻值变化有增有减。
因而输出电压
U out 可以用下式表示
为： R
U out — U b ⑵
对于一定的工作电压，如
U b 5.00V , FB525型磁阻传感器输出电压 U ⑷与外界磁场
的磁感应强度成正比关系：
U out U o KB
(3)式中，K 为传感器的灵敏度，
B 为待测磁感应强度。
U o 为外加磁场为零时传
感器的输出电压 。
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：
8 0 ?N ?1
53/2R
为真空磁导率。
如下图1所示为磁阻传感器与地磁场实验仪外形及功能分布图。
电流
玻莫合金幫腹
外加磁场 Vout @1磁阻传感器旳构造示意图
图2碼阻传感器内的惠斯登电桥 (3) (4)
式中N 为单只线圈匝数, I 为线圈流过的电流强度, R 为亥姆霍磁线圈的平均半径,
铝合金带
外加磁场
f 偏晝磁场
W ®0 ©
1测区平合底產一2 ，节角度姐示专盘Y取粗传感器
,麻座术平调节JttL &賊电流携岡开关厂型磁电流描示.牧字电啟左$励贞电流谒箏
肇WL號載字唱压衰10披了电出莪调寧板机n L1JUJ®电咸首出蔓座B礪粗低鹽器
口1讹療及悔描吉鲁冷科宓Ik座14复杓技常1＜數字电压盍训專携向开关
图1磁阻传感器与地磁场实验仪外形及功能分布图
【实验内容】
1•先将亥姆霍兹线圈按串联方式连接，磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中
点，使传感器的管脚和磁感应强度方向平行。
即使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的磁场作为已知的标准磁感应强度，测定并计算出（磁阻传感器）地磁场实验仪的灵敏度K。
以上步骤完成后，拆除亥姆霍磁线圈的励磁电流连接
线。
2•磁阻传感器已经平行固定在转盘上，先利用水准器指示，调节地磁场实验仪的底脚螺丝，把转盘调节到水平状态。
然后左右水平旋转转盘，寻找到传感器输出电压最大的
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
U i后，再旋转转盘180左右，寻找到传感器输出最大负电压的方向，记录传感器输出电压U2（负值），由u, U2 /2 K B//，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90。
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,和2，同时记录此最大读数U,和U2。
由磁倾角（1 2）/2计算的值。
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
4 •由U1 U2 /2 KB，计算地磁场磁感应强度B的值。
并计算地磁场的垂直
分量B B ?sin 。
【注意事项】
1.为了保证测量结果的准确性，实验仪器周围一定范围内不应存在铁磁性金属物
体。
2 •测量地磁场水平分量，须将转盘调节至水平；测量地磁场B和磁倾角时，须将转盘面处于地磁子午面方向。
3. 测量磁倾角应记录不同时，传感器输出电压U总，应取不少于6组值，求其
平均值。
这是因为测量时，偏差 1 , U总U总？Cos1 0.9998U总变化很小，偏差
4 , U总U总？ Cos4 0.998U总，所以在偏差1至4范围U总变化极小，实验时应测出U总变化很小角的范围，然后求得平均值一。
【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•为何玻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？。