地磁場(chǎng)的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)6.地磁場(chǎng)的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獾厍虼艌?chǎng)及其分布特點(diǎn)了解磁力計(jì)的工作原理學(xué)習(xí)phyphox軟件測(cè)量地磁場(chǎng)的方法二、實(shí)驗(yàn)儀器智能手機(jī)、phyphox軟件、計(jì)算器三、實(shí)驗(yàn)原理地磁場(chǎng)的分布如圖1所示，地球的磁場(chǎng)象一個(gè)條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點(diǎn)處 磁場(chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁?chǎng)和當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁?chǎng) 方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的單位是Tesla(國(guó)際單位)或者 Gauss ( 1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場(chǎng)的強(qiáng)度是 0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北極和地理上的北極并不重合，通常他們之 間有11度左右的

2、夾角。圖1地磁場(chǎng)分布圖地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量，對(duì)于一個(gè)固定的地點(diǎn)來說，這個(gè)矢量可以被分解為兩個(gè) 與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€(gè)與當(dāng)?shù)厮矫娲怪钡姆至?。如果保持電子羅盤和 當(dāng)?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計(jì)的三個(gè)軸就和這三個(gè)分量對(duì)應(yīng)起來，如圖 2所示。Z (dffwn，u = Azimuth or Headiitq圖2地磁場(chǎng)矢量分解示意圖磁力計(jì)基本工作原理在LSM303DLH中磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻(AnisotropicMagneto-Resistance)材料來檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。這種具有晶體結(jié)構(gòu) 的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致AMR自身電阻值發(fā)生 變化。在制造過程中

3、，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起 一個(gè)主磁域，與主磁域垂直的軸被稱為該AMR的敏感軸，如圖3所示。為了使 測(cè)量結(jié)果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導(dǎo)線呈45角傾斜排列，電流 從這些導(dǎo)線上流過，如圖4所示。由初始的強(qiáng)磁場(chǎng)在AMR材料上建立起來的主 磁域和電流的方向有45的夾角。圖3 AMR材料示意圖圖4 45度角排列的導(dǎo)線當(dāng)有外界磁場(chǎng)Ha時(shí)，AMR上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方向 了，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角0也會(huì)發(fā)生變化，如圖5所示。對(duì)于AMR材料 來說，。角的變化會(huì)引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系，如圖6所示。圖5無(wú)外磁場(chǎng)、有外磁場(chǎng)(Ha)時(shí)夾角的

4、變化圖6. -R特性曲線ST利用惠斯通電橋檢測(cè)AMR阻值的變化，如圖7所示。R1、R2、R3、R4是 初始狀態(tài)相同的AMR電阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。當(dāng)檢測(cè)到 外界磁場(chǎng)的時(shí)候，R1、R2阻值同時(shí)增加儀而R3、R4同時(shí)減少食。這樣在沒有外 界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的 電壓屈。圖7惠斯通電橋當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場(chǎng)的作用下電阻變化為儀時(shí)，電橋輸出 屈正比于食。這就是磁力計(jì)的工作原理。利用手機(jī)phyphox軟件測(cè)量地磁場(chǎng)如圖2可知，地球表面磁場(chǎng)總可以分解為與地面平行的分量、與地面垂直的 分量。只要要測(cè)得這兩個(gè)磁場(chǎng)分量

5、，就可以算出磁場(chǎng)的絕對(duì)值以及磁場(chǎng)與地面的 夾角。手機(jī)phyphox軟件的磁力計(jì)功能可以測(cè)得磁場(chǎng)在X、Y、Z三個(gè)方向的磁場(chǎng)大 小，需先確定X、Y和Z分別對(duì)應(yīng)手機(jī)的哪個(gè)方向。通常垂直手機(jī)平面方向?yàn)閆， 沿手機(jī)短邊和長(zhǎng)邊方向分別為X和Y，實(shí)驗(yàn)前先確定一下是否符合。1）測(cè)量地球磁場(chǎng)的水平分量將手機(jī)水平放置，打開磁力計(jì)開關(guān)，在水平面上緩慢旋轉(zhuǎn)手機(jī)（旋轉(zhuǎn)軸垂直地面，圖8所示），找到水平方向（X或Y）的峰值和谷值，計(jì)算水平分量:圖8測(cè)地磁場(chǎng)水平分量2）測(cè)量地球磁場(chǎng)的垂直分量將手機(jī)（丫軸）沿“南北”方向水平放置，并沿此方向的軸旋轉(zhuǎn)手機(jī)（圖9所示）， 記錄磁場(chǎng)在豎直方向（X或Z）的磁場(chǎng)的峰值和估值，由此計(jì)算磁場(chǎng)

6、的垂直分量圖9測(cè)地磁場(chǎng)垂直分量3）計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度大小及磁傾角由測(cè)得的水平分量和垂直分量計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和磁傾角圖10地磁場(chǎng)水平分量及垂直分量的測(cè)量四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟選擇兩個(gè)不同地點(diǎn)A、B （注意遠(yuǎn)離其它磁場(chǎng)和磁體，最好在室外空曠地帶， 并把手機(jī)調(diào)至飛行模式），A、B兩地距離至少相距1km以上。測(cè)量?jī)傻氐拇鸥?應(yīng)強(qiáng)度，具體步驟如下：1）將手機(jī)水平放置（操作方法為：打開手機(jī)的phyphox軟件，找到“傾角”測(cè) 量，實(shí)測(cè)你手機(jī)豎軸的傾斜角度，如果在1度范圍內(nèi)，視為合格，截圖放入實(shí)驗(yàn) 報(bào)告中）。2）測(cè)水平分量：將手機(jī)繞豎直軸（Z軸）在水平面內(nèi)勻速、緩慢旋轉(zhuǎn)兩周（圖8所 示），得到X、Y方向磁場(chǎng)變化曲

7、線，截屏作為原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)至excel， 或直接讀?。╔或Y）峰值和谷值，記為B/max、B/min。3）測(cè)量垂直分量：將手機(jī)（Y軸）沿“南北”方向水平放置，并沿Y軸方向緩慢、 勻速旋轉(zhuǎn)兩周（圖9所示），得到X、Z方向的磁場(chǎng)變化曲線，截屏作為原始實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)至excel，或直接讀取（X或Z）峰值和谷值，記為Bmax. BminO 3）記錄測(cè)量地的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。4）數(shù)據(jù)填入表1,記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算磁場(chǎng)絕對(duì)值以及磁傾角的大小同一地點(diǎn)A，重復(fù)測(cè)量3次磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量方法見步驟1，數(shù)據(jù)填入表2.利用微信小程序“羅盤指南針”，測(cè)量A地地磁南北極和地理南北極之間的 夾角0，并說明測(cè)量感受。（

8、選做）五、實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)記錄1）測(cè)量地點(diǎn)拍照上傳。2）測(cè)量水平及垂直分量，手機(jī)繞軸至少旋轉(zhuǎn)兩周，phyphox原始磁感應(yīng)強(qiáng)度變 化曲線拍照上傳。表1 （測(cè)量地經(jīng)緯度：A:B:）水平分量B/max水平分量B/min垂直分量Bmax垂直分量B, _LmrnBjuT)BbT)表2 （測(cè)量地經(jīng)緯度：A:）水平分量B/max水平分量B/min垂直分量Bmax垂直分量B, _Lmrn0B1(uT)B2(uT)B3（uT）數(shù)據(jù)處理及分析（用表2）磁感應(yīng)強(qiáng)度水平方向分量B=知加飲小皿Q /2，磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直方向分量B廣（Bmax-Bm.n）/2,磁傾角 0=arctan（B B）B = .B; +

9、 B2地理南北極與地磁南北極夾角0 =.（并說明測(cè)量感受）選做內(nèi)容：跟同學(xué)合作，收集五個(gè)以上的不同地點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和方向（要求跨越的經(jīng)緯度 范圍要大一些），然后畫出總的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁傾角。隨緯度的變化曲線，以 及地理南北極和地磁南北極夾角0隨經(jīng)度的變化曲線。思考題簡(jiǎn)述地磁場(chǎng)對(duì)人類有什么作用。測(cè)量水平分量時(shí)Z軸磁力計(jì)和測(cè)量垂直分量時(shí)的Y軸磁力計(jì)的值的變化原因 有哪些？0,。都和什么有關(guān)？試著想象并描述一下地磁場(chǎng)的三維空間圖像。附錄一數(shù)據(jù)處理的另外一種方式：文中提到的數(shù)據(jù)處理方式需要繞某一個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣的旋轉(zhuǎn)方式對(duì)操作性提出了一定的 要求。如果沒有很好的穩(wěn)定性，那么數(shù)據(jù)將會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，所

10、以在這里提供另外一種處 理方式，僅供參考。和文中的處理方式基本相同，只是不再繞軸旋轉(zhuǎn)，而是只繞軸翻轉(zhuǎn)180度，即圍繞xyz 中任意兩個(gè)軸翻轉(zhuǎn)180度記錄數(shù)據(jù)，這樣得到的數(shù)據(jù)再相減除二，得到的同樣是xyz任意方 向的磁場(chǎng)，但是不需要繞軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以，可以很好地保證方向的準(zhǔn)確，而且能同時(shí)得到 xyz分量。文中得到的其實(shí)是水平和豎直兩個(gè)分量。具體操作如下圖所示：（示例前2圖為圍繞y軸翻轉(zhuǎn)180度，后2圖圍繞z軸翻轉(zhuǎn)180 度）記錄表格如下:（以繞y, z軸翻轉(zhuǎn)為例）繞工軸翻轉(zhuǎn)0（B1）180 (B2)B=(B1-B2)/2結(jié)論X方向磁場(chǎng)BX地磁場(chǎng)的大小和方向?yàn)椋篫方向磁場(chǎng)BZ總磁場(chǎng)B=繞二軸翻轉(zhuǎn)0

11、（B1）180 (B2)B=(B1-B2)/2與水平面夾角眼X方向磁場(chǎng)BX與地球自轉(zhuǎn)軸（地理南北極）y方向磁場(chǎng)By的夾角0 =附錄二電子羅盤在手機(jī)中位置的確定到目前為止，我們只限于用手機(jī)來測(cè)量地球磁場(chǎng)。當(dāng)然，手機(jī)中的電子羅盤目的也只是 測(cè)量地球磁場(chǎng)，所以目前我們手機(jī)上測(cè)量磁場(chǎng)的精度，或者叫空間分辨率為手機(jī)大小，為分 米量級(jí)。但是，電子羅盤的大小是在厘米量級(jí)，所以我們可以通過一些方法來確定手機(jī)中電 子羅盤的具體位置，從而可以更精密的測(cè)量磁場(chǎng)的空間分布。具體方法如下：找一個(gè)具有對(duì)稱性的磁體，比方說條形磁鐵，柱形磁鐵等。由于本人條件有限，無(wú)法得 到這種磁鐵，所以以一臺(tái)音箱代替。理論上來說，音箱的喇叭

12、產(chǎn)生的磁場(chǎng)應(yīng)該是對(duì)稱的。 為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，把手機(jī)放在音箱前面，然后沿其橫軸，勻速的平移過音箱，觀察其磁場(chǎng)變 化曲線，如果磁場(chǎng)的變化只有一個(gè)極值點(diǎn)，那這個(gè)極值點(diǎn)一定出現(xiàn)在對(duì)稱軸上，這樣我們就 可以通過手機(jī)測(cè)量磁場(chǎng)的極值點(diǎn)，然后把它和手機(jī)的位置做對(duì)比，從而得出電子羅盤在手機(jī) 中的具體位置。因?yàn)槭謾C(jī)有兩個(gè)方向，所以需要確定兩個(gè)方向的位置，也就是說，確定另一 個(gè)方向時(shí)，需要把手機(jī)做一個(gè)90度的旋轉(zhuǎn)再橫向平移，這樣才能測(cè)出另一個(gè)方向的具體位 置。（具體如圖所示，注意操作中保持手機(jī)與磁鐵垂直距離不變）Accursejr High Magnphameterx從磁場(chǎng)曲線可以看出，第一張圖是沿x方向平移，yz方向都有一個(gè)峰值，且峰值的位置 正好對(duì)應(yīng)x方向拐點(diǎn)的位置。第二張圖為沿y方向平移，分析類似。在坐標(biāo)紙上標(biāo)記出手機(jī) 在極值點(diǎn)的具體位置，和音箱的對(duì)稱軸作比較，即可得出手機(jī)中的電子羅盤的具體位置。圖 中羅盤位于手機(jī)左上角，距左邊緣約1.1cm，距頂端約1