地磁场的测量.docx

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、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磁南极指向磁北极在磁极点处 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 (国际单位)或者 Gauss (lTesla=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，通常他们之 间有1 1度左右的夹角The Earth's Magnetic Field-—*宀图 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X {forward)HrionhHyHearthHz(right)Z (down)fj = Azimuth or Headiitq图2地磁场矢量分解示意图2.磁力计基本工作原理在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻(AnisotropicMagneto-Resistance )材料来检测空间中磁感应强度的大小。

这种具有晶体结构 的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生 变化在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起 一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图3所示为了使 测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流 从这些导线上流过，如图4所示由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主 磁域和电流的方向有45°的夹角图3 AMR材料示意图图4 45度角排列的导线当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向 了，那么磁场方向和电流的夹角0也会发生变化，如图5所示对于AMR材料 来说，0角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系，如图6所示图5无外磁场、有外磁场(Ha)时夹角的变化Llrwir□peril IbqK«t*DnA R阻!Dfl皀丄 RcsI^ji^c#图6. ＜特性曲线ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图7所示Rl、R2、R3、R4是 初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性当检测到 外界磁场的时候，R1、R2阻值同时增加俚而R3、R4同时减少俚。

这样在没有外 界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压蚀图7惠斯通电桥当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场的作用下电阻变化为俚时，电桥输出 蚀正比于俚这就是磁力计的工作原理3.利用phyphox软件测量地磁场如图 2 可知，地球表面磁场总可以分解为与地面平行的分量、与地面垂直的 分量只要要测得这两个磁场分量，就可以算出磁场的绝对值以及磁场与地面的 夹角phyphox软件的磁力计功能可以测得磁场在X、Y、Z三个方向的磁场大 小，需先确定X、Y和Z分别对应的哪个方向通常垂直平面方向为乙 沿短边和长边方向分别为X和Y，实验前先确定一下是否符合1）测量地球磁场的水平分量将水平放置，打开磁力计开关，在水平面上缓慢旋转（旋转轴垂直地面，图8所示），找到水平方向（X或Y）的峰值和谷值，计算水平分量:Z轴X轴图 8 测地磁场水平分量2）测量地球磁场的垂直分量将（Y轴）沿“南北”方向水平放置，并沿此方向的轴旋转（图9所示）, 记录磁场在竖直方向（X或Z）的磁场的峰值和估值，由此计算磁场的垂直分量Z轴Y轴IX轴图 9 测地磁场垂直分量3）计算磁感应强度大小及磁倾角由测得的水平分量和垂直分量计算磁感应强度大小和磁倾角30200ClM 3 XU) 则MUfal/備雄力计a 00 W 200 300HHU1图 10 地磁场水平分量及垂直分量的测量四、实验内容及步骤1. 选择两个不同地点A、B （注意远离其它磁场和磁体，最好在室外空旷地带， 并把调至飞行模式），A、B两地距离至少相距1km以上。

测量两地的磁感 应强度，具体步骤如下：1） 将水平放置（操作方法为：打开的 phyphox 软件，找到“倾角”测 量，实测你竖轴的倾斜角度，如果在1 度范围内，视为合格，截图放入实验 报告中）2） 测水平分量：将绕竖直轴（Z轴）在水平面内匀速、缓慢旋转两周（图8所 示），得到 X、Y 方向磁场变化曲线，截屏作为原始实验数据，并导出数据至 excel， 或直接读取（X或Y）峰值和谷值，记为B〃max、B〃min3） 测量垂直分量：将（Y轴）沿“南北”方向水平放置，并沿Y轴方向缓慢、 匀速旋转两周（图9所示），得到X、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,或直接读取（X或Z）峰值和谷值，记为B±max、B±min° 3）记录测量地的经纬度数据4）数据填入表 1，记录数据并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0,并说明测量感受选做）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，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: ）水平分量B//max水平分量B//min垂直分量B 丄 max垂直分量B ,.1 mmBa（uT）Bb（uT）表2 （测量地经纬度：A: ）水平分量B//max水平分量B//min垂直分量B 丄 max垂直分量B,.1 mm0B1（uT）B2（uT）B3（uT）2•数据处理及分析（用表2）磁感应强度水平方向分量B//=（B〃max-B〃min）/2，磁感应强度垂直方向分量B±=（B丄max-B±min）/2, 磁倾角0二arc tan丄B B〃）B = r B2 + B2// 丄地理南北极与地磁南北极夹角0 = .（并说明测量感受）六•选做内容:跟同学合作，收集五个以上的不同地点的磁感应强度和方向（要求跨越的经纬度 范围要大一些），然后画出总的磁感应强度b、磁倾角e随纬度的变化曲线，以 及地理南北极和地磁南北极夹角0随经度的变化曲线七．思考题1. 简述地磁场对人类有什么作用2. 测量水平分量时 Z 轴磁力计和测量垂直分量时的 Y 轴磁力计的值的变化原因 有哪些？3. e， 0都和什么有关？试着想象并描述一下地磁场的三维空间图像附录一 数据处理的另外一种方式：文中提到的数据处理方式需要绕某一个轴进行旋转，这样的旋转方式对操作性提出了一定的 要求。

如果没有很好的稳定性，那么数据将会出现较大的偏差，所以在这里提供另外一种处 理方式，仅供参考和文中的处理方式基本相同，只是不再绕轴旋转，而是只绕轴翻转180 度，即围绕 xyz 中任意两个轴翻转 180 度记录数据，这样得到的数据再相减除二，得到的同样是 xyz 任意方 向的磁场，但是不需要绕轴进行旋转，所以，可以很好地保证方向的准确，而且能同时得到 xyz 分量文中得到的其实是水平和竖直两个分量具体操作如下图所示：（示例前2图为围绕y轴翻转180度，后2图围绕z轴翻转180 度）记录表格如下: （以绕 y，z 轴翻转为例）绕亠轴翻转0° (B1)180° (B2)B=(B]-B2)/2结论X方向磁场BX地磁场的大小和方向为：Z方向磁场BZ总磁场B=绕z轴翻转0° (B1)180° (B2)B=(B]-B2)/2与水平面夹角B=X方向磁场BX与地球自转轴（地理南北极）y方向磁场By的夹角0 =附录二 电子罗盘在中位置的确定到目前为止，我们只限于用来测量地球磁场当然，中的电子罗盘目的也只是 测量地球磁场，所以目前我们上测量磁场的精度，或者叫空间分辨率为大小，为分 米量级但是，电子罗盘的大小是在厘米量级，所以我们可以通过一些方法来确定中电 子罗盘的具体位置，从而可以更精密的测量磁场的空间分布。

具体方法如下：找一个具有对称性的磁体，比方说条形磁铁，柱形磁铁等由于本人条件有限，无法得 到这种磁铁，所以以一台音箱代替理论上来说，音箱的喇叭产生的磁场应该是对称的 为了验证这一点，把放在音箱前面，然后沿其横轴，匀速的平移过音箱，观察其磁场变 化曲线，如果磁场的变化只有一个极值点，那这个极值点一定出现在对称轴上，这样我们就 可以通过测量磁场的极值点，然后把它和的位置做对比，从而得出电子罗盘在 中的具体位置因为有两个方向，所以需要确定两个方向的位置，也就是说，确定另一 个方向时，需要把做一个90 度的旋转再横向平移，这样才能测出另一个方向的具体位 置具体如图所示，注意操作中保持与磁铁垂直距离不变）MagnetometerMagnet&rneterAccuracy HHahq.od泵 *• ■ » WJ3GRAPH AB$Ci.i/TE 制 MPtE HELPhrapMi absolute Simple hjelpAftMcy HighMag riFtaEel 电「w1505.00 8.0D 10.0助RQt(»lMaaniElometer z^LIU400 口 aao 目20D1000.00从磁场曲线可以看出，第一张图是沿x方向平移，yz方向都有一个峰值，且峰值的位置 正好对应x方向拐点的位置。

第二张图为沿y方向平移，分析类似在坐标纸上标记出 在极值点的具体位置，和音箱的对称轴作比较，即可得出中的电子罗盘的具体位置图 中罗盘位于左上角，距左边缘约1.1cm，距顶端约1.5cm此结果为粗糙近似，因罗盘 本身也有大小，徒手操作误差很大附录三 一次失败的验证 为了验证电磁罗盘的准确位置是否有效，亲手制作了一个多匝线圈，用已经得到的电子 罗盘的准确位置去测量磁场结果发现，测量结果误差很大，对称性不好，所以应该说验证 失败具体分析失败的原因可能有几种：1. 电子罗盘的位置确定错误，2. 线圈太粗糙，它本身的对称性也有问题，3. 电子罗盘本身误差也很大，4. 周围有其他磁场的影响。