地磁場的測量

1、實驗6.地磁場的測量一、實驗目的了解地球磁場及其分布特點了解磁力計的工作原理學習phyphox軟件測量地磁場的方法二、實驗儀器智能手機、phyphox軟件、計算器三、實驗原理地磁場的分布如圖1所示，地球的磁場象一個條形磁體一樣由磁南極指向磁北極。在磁極點處 磁場和當?shù)氐乃矫娲怪?，在赤道磁場和當?shù)氐乃矫嫫叫?，所以在北半球磁?方向傾斜指向地面。用來衡量磁感應強度大小的單位是Tesla(國際單位)或者 Gauss ( 1Tesla=10000Gauss)。隨著地理位置的不同，通常地磁場的強度是 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地磁場分布圖地磁場是一個矢量，對于一個固定的地點來說，這個矢量可以被分解為兩個 與當?shù)厮矫嫫叫械姆至亢鸵粋€與當?shù)厮矫娲怪钡姆至俊Ｈ绻３蛛娮恿_盤和 當?shù)氐乃矫嫫叫?，那么羅盤中磁力計的三個軸就和這三個分量對應起來，如圖 2所示。Z (dffwn，u = Azimuth or Headiitq圖2地磁場矢量分解示意圖磁力計基本工作原理在LSM303DLH中磁力計采用各向異性磁致電阻(AnisotropicMagneto-Resistance)材料來檢測空間中磁感應強度的大小。這種具有晶體結構 的合金材料對外界的磁場很敏感，磁場的強弱變化會導致AMR自身電阻值發(fā)生 變化。在制造過程中

3、，將一個強磁場加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起 一個主磁域，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 測量結果以線性的方式變化，AMR材料上的金屬導線呈45角傾斜排列，電流 從這些導線上流過，如圖4所示。由初始的強磁場在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度角排列的導線當有外界磁場Ha時，AMR上主磁域方向就會發(fā)生變化而不再是初始的方向 了，那么磁場方向和電流的夾角0也會發(fā)生變化，如圖5所示。對于AMR材料 來說，。角的變化會引起AMR自身阻值的變化，并且呈線性關系，如圖6所示。圖5無外磁場、有外磁場(Ha)時夾角的

4、變化圖6. -R特性曲線ST利用惠斯通電橋檢測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。當檢測到 外界磁場的時候，R1、R2阻值同時增加儀而R3、R4同時減少食。這樣在沒有外 界磁場的情況下，電橋的輸出為零；而在有外界磁場時電橋的輸出為一個微小的 電壓屈。圖7惠斯通電橋當R1=R2=R3=R4=R，在外界磁場的作用下電阻變化為儀時，電橋輸出 屈正比于食。這就是磁力計的工作原理。利用手機phyphox軟件測量地磁場如圖2可知，地球表面磁場總可以分解為與地面平行的分量、與地面垂直的 分量。只要要測得這兩個磁場分量

5、，就可以算出磁場的絕對值以及磁場與地面的 夾角。手機phyphox軟件的磁力計功能可以測得磁場在X、Y、Z三個方向的磁場大 小，需先確定X、Y和Z分別對應手機的哪個方向。通常垂直手機平面方向為Z， 沿手機短邊和長邊方向分別為X和Y，實驗前先確定一下是否符合。1）測量地球磁場的水平分量將手機水平放置，打開磁力計開關，在水平面上緩慢旋轉手機（旋轉軸垂直地面，圖8所示），找到水平方向（X或Y）的峰值和谷值，計算水平分量:圖8測地磁場水平分量2）測量地球磁場的垂直分量將手機（丫軸）沿“南北”方向水平放置，并沿此方向的軸旋轉手機（圖9所示）， 記錄磁場在豎直方向（X或Z）的磁場的峰值和估值，由此計算磁場

6、的垂直分量圖9測地磁場垂直分量3）計算磁感應強度大小及磁傾角由測得的水平分量和垂直分量計算磁感應強度大小和磁傾角圖10地磁場水平分量及垂直分量的測量四、實驗內(nèi)容及步驟選擇兩個不同地點A、B （注意遠離其它磁場和磁體，最好在室外空曠地帶， 并把手機調(diào)至飛行模式），A、B兩地距離至少相距1km以上。測量兩地的磁感 應強度，具體步驟如下：1）將手機水平放置（操作方法為：打開手機的phyphox軟件，找到“傾角”測 量，實測你手機豎軸的傾斜角度，如果在1度范圍內(nèi)，視為合格，截圖放入實驗 報告中）。2）測水平分量：將手機繞豎直軸（Z軸）在水平面內(nèi)勻速、緩慢旋轉兩周（圖8所 示），得到X、Y方向磁場變化曲

7、線，截屏作為原始實驗數(shù)據(jù)，并導出數(shù)據(jù)至excel， 或直接讀?。╔或Y）峰值和谷值，記為B/max、B/min。3）測量垂直分量：將手機（Y軸）沿“南北”方向水平放置，并沿Y軸方向緩慢、 勻速旋轉兩周（圖9所示），得到X、Z方向的磁場變化曲線，截屏作為原始實驗數(shù) 據(jù)，并導出數(shù)據(jù)至excel，或直接讀?。╔或Z）峰值和谷值，記為Bmax. BminO 3）記錄測量地的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。4）數(shù)據(jù)填入表1,記錄數(shù)據(jù)并計算磁場絕對值以及磁傾角的大小同一地點A，重復測量3次磁感應強度，測量方法見步驟1，數(shù)據(jù)填入表2.利用微信小程序“羅盤指南針”，測量A地地磁南北極和地理南北極之間的 夾角0，并說明測量感受。（

8、選做）五、實驗記錄和數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)記錄1）測量地點拍照上傳。2）測量水平及垂直分量，手機繞軸至少旋轉兩周，phyphox原始磁感應強度變 化曲線拍照上傳。表1 （測量地經(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）磁感應強度水平方向分量B=知加飲小皿Q /2，磁感應強度垂直方向分量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 =.（并說明測量感受）選做內(nèi)容：跟同學合作，收集五個以上的不同地點的磁感應強度和方向（要求跨越的經(jīng)緯度 范圍要大一些），然后畫出總的磁感應強度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。思考題簡述地磁場對人類有什么作用。測量水平分量時Z軸磁力計和測量垂直分量時的Y軸磁力計的值的變化原因 有哪些？0,。都和什么有關？試著想象并描述一下地磁場的三維空間圖像。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軸進行旋轉，這樣的旋轉方式對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，而是只繞軸翻轉180度，即圍繞xyz 中任意兩個軸翻轉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，但是不需要繞軸進行旋轉，所以，可以很好地保證方向的準確，而且能同時得到 xyz分量。文中得到的其實是水平和豎直兩個分量。具體操作如下圖所示：（示例前2圖為圍繞y軸翻轉180度，后2圖圍繞z軸翻轉180 度）記錄表格如下:（以繞y, z軸翻轉為例）繞工軸翻轉0（B1）180 (B2)B=(B1-B2)/2結論X方向磁場BX地磁場的大小和方向為：Z方向磁場BZ總磁場B=繞二軸翻轉0

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

12、產(chǎn)生的磁場應該是對稱的。 為了驗證這一點，把手機放在音箱前面，然后沿其橫軸，勻速的平移過音箱，觀察其磁場變 化曲線，如果磁場的變化只有一個極值點，那這個極值點一定出現(xiàn)在對稱軸上，這樣我們就 可以通過手機測量磁場的極值點，然后把它和手機的位置做對比，從而得出電子羅盤在手機 中的具體位置。因為手機有兩個方向，所以需要確定兩個方向的位置，也就是說，確定另一 個方向時，需要把手機做一個90度的旋轉再橫向平移，這樣才能測出另一個方向的具體位 置。（具體如圖所示，注意操作中保持手機與磁鐵垂直距離不變）Accursejr High Magnphameterx從磁場曲線可以看出，第一張圖是沿x方向平移，yz方向都有一個峰值，且峰值的位置 正好對應x方向拐點的位置。第二張圖為沿y方向平移，分析類似。在坐標紙上標記出手機 在極值點的具體位置，和音箱的對稱軸作比較，即可得出手機中的電子羅盤的具體位置。圖 中羅盤位于手機左上角，距左邊緣約1.1cm，距頂端約1