李宏靜 鄧晏 劉廣偉 齊彬 李寶河 俱海浪

摘 要：存在于地球周?chē)哂写帕ψ饔玫目臻g，稱為地磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)和地球引力一樣，是一個(gè)地球物理場(chǎng)，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(cè)量地磁場(chǎng)對(duì)震前預(yù)測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)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(cè)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(chǎng)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(duì)于地磁的成因，至今卻還沒(méi)有統(tǒng)一的定論。地磁場(chǎng)的測(cè)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(jiàn)地磁場(chǎng)的測(cè)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(cè)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(pán)的精密小磁針、電源、電流測(cè)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(cè)地磁三要素，即通過(guò)測(cè)量在亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)中，通過(guò)觀察小磁針在亥姆霍茲線圈磁場(chǎng)與地磁分量磁場(chǎng)的共同作用下所偏轉(zhuǎn)的角度，來(lái)計(jì)算出線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度與地磁分量磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)與通電電流成正比，利用特斯拉計(jì)測(cè)量通以某一恒定電流的亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)，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(chǎng)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(cè)出地磁的豎直分量BZ。

因?yàn)樵O(shè)備的的問(wèn)題，我們沒(méi)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(guó)家公布值。利用地磁場(chǎng)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(guò)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(duì)準(zhǔn)小磁針，調(diào)節(jié)通過(guò)亥姆霍茲線圈的電流，即旋轉(zhuǎn)電位器，使小磁針?lè)謩e偏25°、30°、40°、50°、60°、70°，記錄對(duì)應(yīng)的電流值。另外給亥姆霍茲線圈電流反向，再依次測(cè)量小磁針偏轉(zhuǎn)以上角度時(shí)的電流值，通過(guò)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(pán)轉(zhuǎn)向豎直位置，當(dāng)亥姆霍茲線圈不加磁場(chǎng)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(duì)齊。調(diào)節(jié)通過(guò)亥姆霍茲線圈的電流，使小磁針?lè)謩e偏20°、30°、40°、50°、60°、70°，記錄對(duì)應(yīng)的電流值。另外給亥姆霍茲線圈電流反向，再依次測(cè)量小磁針偏轉(zhuǎn)以上角度時(shí)的電流值，通過(guò)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(cè)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(chǎng)的大小。

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

測(cè)量日期：2013-6

磁偏角D=5.983

地點(diǎn)是在一處空曠區(qū)域，周?chē)鷽](méi)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(shuō)明該處的條件較為理想，符合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也說(shuō)明正切檢流計(jì)法能較為精確的測(cè)量地磁要素。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁針的偏轉(zhuǎn)過(guò)大或過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。所以測(cè)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?chē)h(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(chǎng)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(chǎng)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(cè)）[M].北京：科學(xué)出版社，2007：120-126.

作者簡(jiǎn)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)。