地磁场水平分量的测量 实验

地磁场水平分量的测量

姓名：王秋来 专业班级：物科院11级物理学 学号：1108405037

【摘要】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Bz，⑹北向分量Bx，⑺东向分量B。

y确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量B//三个独立要素。 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量B// 地磁场水平分量为：Ba?8u0N3?b

52R【关键字】地磁场，水平分量，正切电流计，磁偏角。 1、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 2、实验室提供的仪器和用具

亥姆霍兹线圈（N=700匝），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。 3、实验原理

3.1 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

图1

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NmSm与地球的旋转轴NS斜交一个角度?0,?0?11.5o。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Bx和东向分量在Z轴上的投影Bz称为垂直分量。故某一地点O

By；B

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Bz，⑹北向分量

Bx，⑺东向分量By。

图2

,By,Bz不难看出，它们是B在各个坐标体系中的坐标值，比如Bx就是B在直

角坐标系中的坐标值，而Bz,B//,D和D、B//、I则分别是B在柱面坐标系和球坐标系中的坐标值，这三种坐标体系是彼此独立的，在它们之间，存在着如下的变换关系：

Bx?B//?cosD,By?B//?sinD,Bz?B//tgI,B2//?B2x?B2y,B2?B2//?B2z

B?B//?secI?Bz?cscI；

tgD?ByBx （1）

如果知道其中独立的三个，其它四个就可以计算出来。确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量B//三个独立要素。

3.2利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量B// 我们利用亥姆霍兹线圈制成一台正切电流计，亥姆霍兹线圈是一对相同的圆形线圈，彼此平行而且共轴，两线圈平行放置，绕行方向一致，相互串联，其线圈的间距等于线圈的半径。

图3

在中心点附近较大范围内的磁场是相当均匀的，亥姆霍兹线圈在低磁场情况下既做磁化线圈，产生给定的磁场，又可做为弱磁场的计量基准，在较大的空间范围内，由于空间场的不均匀性引起的误差是很小的。在亥姆霍兹线公共轴线的中点处，水平放置一罗盘，即构成了正切电流计，如图3示。 在通电前，先将线圈平面与罗盘指针相平行，即线圈平面与地磁子午面一致。然后在线圈中通以直流电，亥姆霍兹线圈产生的B’必和地磁场的水平分量B//相垂直，罗盘之中的磁针就在B’、B//两磁场所产生的磁力矩同时作用下偏离地磁子午面，与磁子午面成一定的角度θ，如图4所示。 由图可知

B'B//?tg?图4

（2）

??NIR8532亥姆霍兹线中点的磁场为 B'?? （3）

式中：N为线圈的匝数，R为线圈的平均半径，I为流经线圈的电流强度，

???4??10?7N/A2将（29-2）式代入（1）式得B//?8??53/2?NIRtg? （4）

即 I式中K?53/2RB//8??N53/2tg??Ktg? （5）

?RB//8??N。对于同一个测量地点和给定的正切电流计，B//,R和N均为不变

值，故K为一常量。

由（5）式可知，流过电流计的电流强度与磁针偏转角θ的正切成正比。因此这种电流计称为正切电流计。若能测得流过正切电流计的电流I，与罗盘指针的偏转角θ，即能测得地磁的水平分量B//值。 4、 实验内容

1.连接好线，调节正切电流计底座脚螺丝使水准器气泡调节至中间，这会使罗盘位于水平位置，这样线圈平面就铅直了 2.旋转整个正切电流计装置使线圈平面与罗盘磁针平行，即使线圈平面与地磁子午面一致，并使磁针的N极指向“0”刻度线，这样线圈通电后由线圈产生的磁场BG与地磁水平分量BR相互垂直。

3.旋转电流调节旋钮，改变通入正切电流计的电流值，从罗盘上读得磁针的偏转角?1，为了消除罗盘磁针偏心误差，需从罗盘商读的两个读数?1，

?2，通过调节接线使电流换向，同样在罗盘上又可读?3、?4,固定线圈匝

图5

数N=700，使输出电流分别为1mA 、2mA、3mA、4mA、5mA、10mA、15mA、20mA，读出?1、?2、?3、?4 4个读数。

4.测得一系列的偏转角?值。作I~tan?图，由图线求出斜率b值，代入

3I?52RBa8u0Ntan?

即可求得地磁场水平分量为

\\

Ba?8u0N3?b

5R25.实验结果

N=700匝 R=95 mm

电流（mA） 罗盘 正 偏转 角 反 平均角度 tan? 1 13 14 13 12 13 0.23 2 26 25 25 24 25 0.47 3 38 37 36 36 36.75 0.75 4 46 45 44 44 44.75 0.99 5 48 47 51 49 48.75 1.14 10 66 67 69 68 67.5 2.41 15 72 71 75 74 73 3.27 20 77 76 79 78 77.5 4.51

tan?~I图

2520151050012345系列1线性 (系列1)

由图线得斜率b=4.44

Ba?8u0N3?b

-7

1.5

5R =8×4π

2×10×700×4.44/(5×95)=2.925×-5

10（T）

6.实验结论与分析

本次实验测得的地磁场水平分量为2.925×10-5特斯拉，但因为实验者对实验器材及操作方法不太熟悉对实验结果造成了一定的误差。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t6pv.html