地磁场测量的研究

第28卷第4期延安大学学报(自然科学版)V o.l28N o.4 2009年12月Journal o fY anan U niversity(N atural Science Ed ition)D ec12009

地磁场测量的研究

赵晓伟

(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000)

摘要:利用FD-HM-I型亥姆霍兹磁场测定仪及其所配备的高灵敏度毫特斯拉计传感器探头,测量地磁场水平及垂直分量,进一步测量出地磁场的大小和方向,改进了传统的测量地磁场的实验方法。

关键词:地磁场;测量;亥姆霍兹磁场测定仪;毫特斯拉计

中图分类号:O44115文献标识码:A文章编号:1004-602X(2009)04-0048-03

地磁场作为一种天然磁源,在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要的用途1地磁场的数值比较小,约为10-5T量级,其准确测量比较困难,但在直流磁场测量,特别是弱磁场测量中,却往往需要知道其准确数值,并设法消除其它因素对测量结果的影响。传统的亥姆霍兹线圈磁场测量实验[1-3],一般用探测线圈配以指针式交流电压表测量磁感应强度,由于线圈体积大、指针式交流电压表等级低等原因,测量的误差较大。近年来,在研究地磁场方面,科研工作者做了不少研究[4-8]。本文利用FD-HM-I型亥姆霍兹磁场测定仪及其所配备的高灵敏度毫特斯拉计传感器探头,测量地磁场水平及垂直分量,进一步测量出地磁场的大小和方向。所用的SS95A型集成霍耳传感器是一种高灵敏度优质磁场测量传感器,它的体积小(面积4mm@3 mm,厚2mm),其内部具有放大器和剩余电压补偿电路,采用此集成霍耳传感器(配直流数字电压表)制成的高灵敏度毫特斯拉计,可以准确测量0~2. 000mT的磁感应强度,其分辨率可达1@10-6T。因此,用它探测地磁场水平分量、地磁场垂直分量准确度较高,测量出地磁场的大小和方向,误差较小,是测量地磁场大小和方向的一种好方法,颇具推广价值。

1实验原理

为了减小干扰,其它铁磁物体远离实验装置。用水平仪将放置传感器探头的台面调节到水平,先放置一个罗盘,根据罗盘指针N、S极所指的方向测出地磁场水平分量的方向,作一条与罗盘指针N、S 极所指的方向所在直线相互平行的直线,调整传感器探头的方向,使传感器探头的法线方向与罗盘指针N、S极所指的方向相互垂直,移走罗盘,调节亥姆霍兹磁场测定仪面板上的毫特斯拉计调零旋钮,使毫特斯拉计显示为零(本毫特斯拉计为高灵敏度仪器,在台面上不同的位置,毫特斯拉计显示的最后一位可能有所不同,为防止其它杂散信号的影响,使毫特斯拉计显示为零),再调节传感器探头的方向使其与罗盘指针N、S极所指的方向一致(与前面所作直线相互平行),即与地磁场水平分量的方向一致,记录毫特斯拉计显示的数值,即地磁场水平分量B水平的大小。借助水平仪将传感器探头的法线方向调节到竖直,记录毫特斯拉计显示的数值,即地磁场垂直分量B垂直的大小。地磁场总量的大小用B地磁表示。

B地磁=B2水平+B2垂直(1)

地磁场的方向考虑它与水平方向的夹角,即磁倾角H为

H=arct g B垂直

B水平

(2)

这样,我们利用式(1)、式(2)就可以计算出地磁

收稿日期:20090826

作者简介:赵晓伟(1985)),男,陕西府谷人,延安大学物理与电子信息学院06级本科生。

场的大小和方向。

2实验装置

实验装置如图1所示。FD-HM-I型亥姆霍兹磁场测定仪及其所配备的高灵敏度毫特斯拉计传感器探头,小型水平仪,罗盘。

3实验内容

1)为了减小干扰,让其它铁磁物体远离实验装置,按图1所示连接好传感器探头,开机后应预热10分钟,细心检查无误后,再进行测量。

2)用水平仪将放置传感器探头的台面调节到水平。

3)在台面上放置一个罗盘,根据罗盘指针N、S 极所指的方向测量出地磁场水平分量的方向,作一条与罗盘指针N、S极所指的方向所在直线相互平行的直线,移走罗盘。

4)调整传感器探头的方向,使传感器探头的法线方向与罗盘指针N、S极所指的方向相互垂直,调节亥姆霍兹磁场测定仪面板上的毫特斯拉计调零旋钮,使毫特斯拉计显示为零。

5)再调节传感器探头的方向使其法线方向与罗盘指针N、S极所指的方向一致即与地磁场水平分量的方向一致,记录毫特斯拉计显示的最大数值,即地磁场水平分量B水平的大小1重复步骤4)、5),记录毫特斯拉计显示的地磁场水平分量B水平的大小。

6)借助水平仪将传感器探头的法线方向调节到竖直向上,读出毫特斯拉计显示的最大数值,即地磁场垂直分量B垂直的大小。重复测量地磁场垂直分量B垂直的大小。

4实验数据和结果

实验数据见表1。

表1实验数据

磁场强度123456平均值不确定度

B

水平

/mT0.0270.0280.0310.0300.0270.0300.0290.001

B

垂直

/mT0.0430.0440.0440.0460.0470.0460.0450.001

从以上数据可以得到延安当地的地磁场水平分量B

水平

=(0.029?0.001)毫特斯拉,地磁场垂直分量B垂直=(01045?01001)毫特斯拉,将B水平、B垂直代入式(1),得到延安当地的地磁场磁感应强度总量的大小为B地磁=01054毫特斯拉,由误差传递公式得L(B地磁)=01002毫特斯拉,测量结果为B地磁=(01054?01002)毫特斯拉

再将B水平、B垂直代入式(2),得到延安当地的地磁场磁感应强度的方向与水平方向的夹角磁倾角为H= 5712b,由误差传递公式得L(H)=011b,测量结果为H=(5712?011)b

同时,我们用DH4515型地磁场水平分量测试仪测得延安当地的地磁场水平分量为B水平=01028毫特斯拉,与本实验方法得到的地磁场水平分量B水平=01029毫特斯拉进行比较,相对误差为316%,误差较小,说明本文研究地磁场的结果是比较满意的、方法是切实可行的。

5讨论

(1)由于集成霍耳传感器体积小,易于移动和定位,实验过程非常简单,测试速度快,提高了工作效率。

(2)利用该方法研究地磁场,改进了传统的实验方法,提高了仪器的利用率。

(3)在大学物理实验教学实践中,可根据实验学时的要求,完成了规定的实验内容之后,选做测量地磁场水平分量、地磁场垂直分量、测量出地磁场的大小和方向实验中的任一部分,其设计具有较强的可操作性,教学内容新颖而又循序渐进,紧密结合实际应用又不超出物理实验教学大纲的要求范围。可以使学生在实验中掌握地磁场测量技术,激发学生的兴趣和创造意识,收到良好的教学效果。

参考文献:

[1]吴振森,武颖丽,胡荣旭,等1综合设计性物理实验[M]1

西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[2]杨述武1普通物理实验(二、电磁学部分)[M]1第3版1

北京:高等教育出版社,2000.

[3]王希义,王红理,黄丽清1大学物理实验[M]1西安:陕

西科学技术出版社,1998.

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