地磁场水平分量的测量

地磁场水平分量的测量

【摘要】：

地磁场水平分量（horizontal component of geomagnetic field）：地磁场的总磁场强度矢量T在参考坐标系的XOY水平面上的投影，称为地磁场水平分量，通常用符号H表示。水平分量的数值在赤道附近最大，约为0.03～0.04mT，由赤道向两极数值逐渐减小，两极为零。地球上除高纬度地区以外，大部分地区地磁场水平分量是大致指北的，这个方向称为磁北。中国由南到北，水平分量逐渐减小，约从0.04到0.02mT。

【关键词】：

地磁场水平分量、亥姆霍兹线圈、正切电流

【引言】：

地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通

讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。

地磁场强度大约是0.5-0.6高斯，也就是5-6*E-5特斯拉（50-60μT）。

【实验目的】：

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

【实验原理】：

亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）是一种制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观察，所以，是物理实验常使用的器件。因德国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹而命名。

亥姆霍兹线圈是由一对完全相同的圆形导体线圈组成。采用直角坐标系，这两个半径为 的圆形线圈的中心轴都与z-轴同轴。两个圆形线圈的z-坐标分别为O与每一个导体线圈载有同向电流。

设定可以使得在两个线圈中心位置O（即原点）的磁场，其不均匀程度极小化。这动作促使 ，也意味着领先的非零微分项目是 ，稍后会对这论点做更详细解释。但是，这样做仍旧会在线圈平面跟z-轴相交处与O点之间遗留大约 7% 磁场数值的差别。

在某些应用中，亥姆霍兹线圈可以用来抵消地磁场，制造出接近零磁场的区域。

关于在空间任意位置的精确磁场计算，需要应用到贝索函数或椭圆函数与其相关技巧。沿着线圈的中心轴（z-轴），涉及到的计算比较简单，可以应用泰勒展开，将磁场展开为 的幂级数。采用直角坐标系，以亥姆霍兹线圈的中心位置为z-轴的原点O。由于对于xy-平面的对称性，奇数幂项目必等于零。经过调整两个线圈之间的距离 ，可以使得O点成为拐点，则可以保证 级项目为零，因此领先不均匀项目是 级项目。在中心位置O点，磁场为：

---------------------------------------------------（1） 其中，=4π×10^-7 H/m 是磁常数。

将指南针放置在亥姆霍兹线圈的两线圈中心位置，并调整指南针位置使指南针方向与两线圈连线方向垂直，给线圈通同向电流，指南针指针发生偏转，记录偏转角度Δα。因为两磁场方向是正交的，偏转后的指针方向即两个磁场方向的矢量和

所加磁场B1 α 地磁场水平分量B2

所以 B2=B1/tanα------------------------------------------------------------------------（2）

B1由（1）式算出。

【实验仪器】：

亥姆霍兹线圈、指南针、电流表、滑动变阻器、直流稳压电源、导线若干

【实验内容】：

1.连接电路，调整好指南针位置，接通电源，记录指针初始位置； 2.调整滑动变阻器，指针发生偏转，记录偏转角度Δα，电流表示数I，并由（1）（2）式计算地磁场水平分量B2，其中R=10cm，是磁常数，n=700匝。 3.重复测量几次，计算B2平均值。

【数据处理】：

序号 项目 偏转角度Δα/度 电流I/mA 所加磁场B1/mT 地磁场水平分量B2/mT 平均值/mT 1 64.0 11.44 0.072 2 32.4 3.66 0.023 3 73.9 19.46 0.122 4 66.5 12.94 0.081 5 70.4 15.62 0.098 6 60.5 9.62 0.061 0.0351 0.0362 0.0352 0.0352 0.0349 0.0345 0.0352 【结论】：

本地区地磁场水平分量约为0.0352mT。

【误差分析】：

1. 2. 3. 4.

实验室中部分仪器内有永磁体，对测量有影响 实验室中存在基底磁场

电流及指南针偏转角度测量不精准 温度等

【参考文献】：

1. 《大学物理实验教程》[科学出版社 2009年8月第一版] 2. 百度百科等

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/36a3.html