地磁三分量的測量研究

李宏靜 鄧晏 劉廣偉 齊彬 李寶河 俱海浪

摘 要：存在于地球周圍具有磁力作用的空間，稱為地磁場。地球磁場和地球引力一樣，是一個地球物理場，是地球內部的物理性質之一。地球的磁性，是地球上生命的保護傘，準確測量地磁場對震前預測、地質勘測等有著重要的意義。描述地磁可以由三要素導出，文章即介紹采用正切檢流法測量地磁三分量。

關鍵詞：地磁三分量；正切檢流計法；亥姆霍茲線圈

地磁場的存在，是使得地球的生命體得以不斷延續的重要原因之一[1]，然而，對于地磁的成因，至今卻還沒有統一的定論。地磁場的測量在指南、探礦、發電、預報自然災害、解釋自然現象等方面被廣泛應用[2]，可見地磁場的測量是一項很重要的工作。本實驗主要介紹用正切檢流計法測量地磁三要素。

1 實驗裝置

實驗構架如圖1所示，它是由亥姆霍茲線圈、帶角度盤的精密小磁針、電源、電流測量裝置及導線組成[3]。

2 實驗原理

本實驗用正切檢流計法測地磁三要素，即通過測量在亥姆霍茲線圈所產生的均勻磁場中，通過觀察小磁針在亥姆霍茲線圈磁場與地磁分量磁場的共同作用下所偏轉的角度，來計算出線圈磁場強度與地磁分量磁場強度的關系，來得出地磁的三要素[4]。

通電前，讓小磁針指向與亥姆霍茲線圈的軸線垂直。這樣當給亥姆霍茲線圈通電后，亥姆霍茲線圈的磁場方向與地磁的水平分量相互垂直。亥姆霍茲線圈中心的磁場可以用下式表示：

，其中

是與亥姆霍茲線圈構造相關的常數。上式表明，亥姆霍茲磁場與通電電流成正比，利用特斯拉計測量通以某一恒定電流的亥姆霍茲線圈的磁場，從而標定出線圈的K值。改變亥姆霍茲線圈的電流，使小磁針的偏轉角度為？茲。因此只要知道亥姆霍茲線圈的磁場和小磁針的偏角，就可以計算得到地磁的水平分量。用類似的方法，也可以測出地磁的豎直分量BZ。

因為設備的的問題，我們沒有辦法獲得精確的磁偏角值，所以，本實驗所采用的磁偏角為國家公布值。利用地磁場水平分量的值和磁偏角的數據可以計算得到地磁的X分量和Y分量。

3 實驗過程及數據處理

3.1 轉動儀器底座，使小磁針指向與亥姆霍茲線圈軸線垂直，0刻度線對準小磁針，調節通過亥姆霍茲線圈的電流，即旋轉電位器，使小磁針分別偏25°、30°、40°、50°、60°、70°，記錄對應的電流值。另外給亥姆霍茲線圈電流反向，再依次測量小磁針偏轉以上角度時的電流值，通過這些數據，擬合計算得到地磁的水平分量。

3.2 將帶小磁針的角度盤轉向豎直位置，當亥姆霍茲線圈不加磁場時，轉動儀器底座，使小磁針指向豎直方向，0刻度線與小磁針對齊。調節通過亥姆霍茲線圈的電流，使小磁針分別偏20°、30°、40°、50°、60°、70°，記錄對應的電流值。另外給亥姆霍茲線圈電流反向，再依次測量小磁針偏轉以上角度時的電流值，通過這些數據，擬合計算得到地磁的豎直分量。

3.3. 利用測量得到的地磁的水平分量和豎直分量，計算地磁的磁傾角和總地磁場的大小。

測量地點：北京房山區良鄉大學城一處空曠地

測量日期：2013-6

磁偏角D=5.983

地點是在一處空曠區域，周圍沒有建筑。由數據可知此處的百分誤差在可接受范圍之內，說明該處的條件較為理想，符合實驗環境，也說明正切檢流計法能較為精確的測量地磁要素。

4 結束語

磁針的偏轉過大或過小都會產生較大的誤差。所以測量時要注意選擇偏轉角，經數據得知20°<偏轉角<70°較合適。地點的選擇比較重要，要排除周圍環境中的電子設備及地下埋有的金屬等物質的影響。

參考文獻

[1]Lenz J E，Rouse G F，Strandjord. A high-sensitivity magnetoresistive sensor.Solid-State Sensor and Actuator Workshop，1990，（4）：114-117.

[2]朱業俊，陶小平，孫臘珍.亥姆霍茲線圈磁場的探究[J].物理實驗，2010，30（3）： 42-46.

[3]曾曉英.亥姆霍茲線圈磁場的均勻性分析及誤差估算[J].物理實驗，2000，20（5）：38.

[4]胡秋友，程福臻，葉邦角.電磁學與電動力學（上冊）[M].北京：科學出版社，2007：120-126.

作者簡介：李宏靜（1985-），女，碩士研究生，北京人，助理實驗師，大學物理實驗室管理及透射電鏡使用與維護。