地磁场的测量

实验6. 地磁场的测量

一、实验目的

1.了解地球磁场及其分布特点

2.了解磁力计的工作原理

3.学习phyphox软件测量地磁场的方法

二、实验仪器

智能手机、phyphox软件、计算器

三、实验原理

1.地磁场的分布

如图1所示，地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla（国际单位）或者Gauss（1Tesla=10000Gauss）。随着地理位置的不同，通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是，磁北极和地理上的北极并不重合，通常他们之间有11度左右的夹角。

图1 地磁场分布图

地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来，如图2所示。

图2 地磁场矢量分解示意图

2.磁力计基本工作原理

在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻（Anisotropic

Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构

的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。

在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45º角倾斜排列，电流从这些导线上流过，如图4所示。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45º的夹角。

图3 AMR材料示意图

图 4 45度角排列的导线

当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化，如图5所示。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系，如图6所示。

图5 无外磁场、有外磁场(Ha)时夹角的变化

图6. θ-R特性曲线

ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图7所示。R1、R2、R3、R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1、R2阻值同时增加∆R而R3、R4同时减少∆R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压∆V。

图 7惠斯通电桥

当R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场的作用下电阻变化为∆R时，电桥输出

∆V正比于∆R。这就是磁力计的工作原理。

3.利用手机phyphox软件测量地磁场

如图2可知，地球表面磁场总可以分解为与地面平行的分量、与地面垂直的分量。只要要测得这两个磁场分量，就可以算出磁场的绝对值以及磁场与地面的夹角。

手机phyphox软件的磁力计功能可以测得磁场在X、Y、Z三个方向的磁场大小，需先确定X、Y和Z分别对应手机的哪个方向。通常垂直手机平面方向为Z，沿手机短边和长边方向分别为X和Y，实验前先确定一下是否符合。

1）测量地球磁场的水平分量

将手机水平放置，打开磁力计开关，在水平面上缓慢旋转手机(旋转轴垂直地

面，图8所示)，找到水平方向(X或Y)的峰值和谷值，计算水平分量：

Z轴

Y轴

X轴

图8 测地磁场水平分量

2）测量地球磁场的垂直分量

将手机(Y轴)沿“南北”方向水平放置，并沿此方向的轴旋转手机(图9所示)，记录磁场在竖直方向(X或Z)的磁场的峰值和估值，由此计算磁场的垂直分量

Z轴

Y轴

X轴

图9 测地磁场垂直分量

3）计算磁感应强度大小及磁倾角

由测得的水平分量和垂直分量计算磁感应强度大小和磁倾角

图10 地磁场水平分量及垂直分量的测量

四、实验内容及步骤

1.选择两个不同地点A、B（注意远离其它磁场和磁体，最好在室外空旷地带，并把手机调至飞行模式），A、B两地距离至少相距1km以上。测量两地的磁感应强度，具体步骤如下：

1）将手机水平放置（操作方法为：打开手机的phyphox软件，找到“倾角”测量，实测你手机竖轴的倾斜角度，如果在1度范围内，视为合格，截图放入实验报告中）。

2）测水平分量：将手机绕竖直轴(Z轴)在水平面内匀速、缓慢旋转两周(图8所示)，得到X、Y方向磁场变化曲线，截屏作为原始实验数据，并导出数据至excel，或直接读取(X或Y)峰值和谷值，记为B//max、B//min。

3）测量垂直分量：将手机(Y轴)沿“南北”方向水平放置，并沿Y轴方向缓慢、匀速旋转两周(图9所示)，得到X、Z方向的磁场变化曲线，截屏作为原始实验数据，并导出数据至excel，或直接读取(X或Z)峰值和谷值，记为B⊥max、B⊥min。3）记录测量地的经纬度数据。

4）数据填入表1，记录数据并计算磁场绝对值以及磁倾角的大小

2. 同一地点A，重复测量3次磁感应强度，测量方法见步骤1，数据填入表2.

3. 利用微信小程序“罗盘指南针”，测量A地地磁南北极和地理南北极之间的夹角∅，并说明测量感受。（选做）

五、实验记录和数据处理

1.原始数据记录

1）测量地点拍照上传。

2）测量水平及垂直分量，手机绕轴至少旋转两周，phyphox原始磁感应强度变化曲线拍照上传。

表 1（测量地经纬度： A: B: ）

表 2（测量地经纬度：A: ）