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(gè)地球物理場，是地球內(nèi)部的物理性質(zhì)之一。地球的磁性，是地球上生命的保護(hù)傘，準(zhǔn)確測量地磁場對震前預(yù)測、地質(zhì)勘測等有著重要的意義。描述地磁可以由三要素導(dǎo)出，文章即介紹采用正切檢流法測量地磁三分量。

關(guān)鍵詞：地磁三分量；正切檢流計(jì)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(xù)的重要原因之一[1]，然而，對于地磁的成因，至今卻還沒有統(tǒng)一的定論。地磁場的測量在指南、探礦、發(fā)電、預(yù)報(bào)自然災(zāi)害、解釋自然現(xiàn)象等方面被廣泛應(yīng)用[2]，可見地磁場的測量是一項(xiàng)很重要的工作。本實(shí)驗(yàn)主要介紹用正切檢流計(jì)法測量地磁三要素。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)構(gòu)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(dǎo)線組成[3]。

2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)用正切檢流計(jì)法測地磁三要素，即通過測量在亥姆霍茲線圈所產(chǎn)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(zhuǎn)的角度，來計(jì)算出線圈磁場強(qiáng)度與地磁分量磁場強(qiáng)度的關(guān)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(dāng)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(gòu)造相關(guān)的常數(shù)。上式表明，亥姆霍茲磁場與通電電流成正比，利用特斯拉計(jì)測量通以某一恒定電流的亥姆霍茲線圈的磁場，從而標(biāo)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(zhuǎn)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(jì)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?yàn)樵O(shè)備的的問題，我們沒有辦法獲得精確的磁偏角值，所以，本實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)可以計(jì)算得到地磁的X分量和Y分量。

3 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)處理

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǔn)小磁針，調(diào)節(jié)通過亥姆霍茲線圈的電流，即旋轉(zhuǎn)電位器，使小磁針分別偏25°、30°、40°、50°、60°、70°，記錄對應(yīng)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(zhuǎn)以上角度時(shí)的電流值，通過這些數(shù)據(jù)，擬合計(jì)算得到地磁的水平分量。

3.2 將帶小磁針的角度盤轉(zhuǎn)向豎直位置，當(dāng)亥姆霍茲線圈不加磁場時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(diào)節(jié)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(yīng)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(zhuǎn)以上角度時(shí)的電流值，通過這些數(shù)據(jù)，擬合計(jì)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(jì)算地磁的磁傾角和總地磁場的大小。

測量地點(diǎn)：北京房山區(qū)良鄉(xiāng)大學(xué)城一處空曠地

測量日期：2013-6

磁偏角D=5.983

地點(diǎn)是在一處空曠區(qū)域，周圍沒有建筑。由數(shù)據(jù)可知此處的百分誤差在可接受范圍之內(nèi)，說明該處的條件較為理想，符合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也說明正切檢流計(jì)法能較為精確的測量地磁要素。

4 結(jié)束語

磁針的偏轉(zhuǎn)過大或過小都會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。所以測量時(shí)要注意選擇偏轉(zhuǎn)角，經(jīng)數(shù)據(jù)得知20°<偏轉(zhuǎn)角<70°較合適。地點(diǎn)的選擇比較重要，要排除周圍環(huán)境中的電子設(shè)備及地下埋有的金屬等物質(zhì)的影響。

參考文獻(xiàn)

[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(yè)俊，陶小平，孫臘珍.亥姆霍茲線圈磁場的探究[J].物理實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，2000，20（5）：38.

[4]胡秋友，程福臻，葉邦角.電磁學(xué)與電動(dòng)力學(xué)（上冊）[M].北京：科學(xué)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(shí)驗(yàn)師，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室管理及透射電鏡使用與維護(hù)。