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1、实验6 地磁场的测量,一、实验目的 了解地球磁场及其分布特点 了解磁力计的工作原理 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 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地磁南极（物理N极）指向地磁北极。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(特斯拉)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，现在他
2、们之间约有5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 磁力计采用各向异性磁致电阻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。磁力计的基本原理就是通过合适的电路(惠斯通电桥)，将磁场的改变量以电压的形式表示出来。,图 3 AMR材料示意图,3、利用手机ph
3、yphox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，沿手机短边方向为X，长边方向为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)，找到水平方向的峰值和谷值，计算水平分量。,图4 测地磁场水平分量,2）测量地球磁场的 垂直分量 将手机沿“南北”方
4、向水平放置，并沿此方向的轴旋转手机，记录磁场在竖直方向的磁场的峰值和估值，由此计算磁场的垂直分量,图 5 测地磁场水平分量,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)，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：将手机绕竖直轴在水平面内匀速、
5、缓慢旋转两周，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，读取峰值和谷值。,3）测量垂直分量：将手机沿“南北”方向水平放置，并沿Y或X轴方向缓慢、匀速旋转两周，得到X、Z或Y、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，读取峰值和谷值。 3）记录测量地的经纬度数据。 4）数据填入表1，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。,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_）,2.数据处理及分析 磁感应强度水平方向分量B/=（B/max-B/min）/2， 磁感应强度垂直方向分量B=（Bmax-Bmin）/2，,磁倾角=arctan(B/ B/),地理南北极与地磁南北极夹角,。,六思考题 1、简述地磁场对人类有什么作用。 2、测量水平分量时Z轴磁力计和测量垂直分量时的Y轴磁力计的值的变化原因有哪些？,地磁北极的位置移动示意图,绕z轴旋转 绕y轴旋转,
