实验五 地磁场测定

创作时间：二零二一年六月三十日

一．概述

地磁场作为一种天然磁源, 在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途.本仪器采纳新型坡莫合金磁阻传感器丈量地磁场的重要参量, 通过实验可以掌握磁阻传感器定标以及丈量地磁场水平分量和磁倾角的方法, 了解丈量弱磁场的一种重要手段和实验方法, 本仪器与其他地磁场实验仪(如正切电流计测地磁场实验仪)相比具有以下优点：

1．实验转盘经过精心设计, 可自由转动, 方便地调节水平和铅直.内转盘相隔180, 具有两组游标, 这样既提高了丈量精度, 又消除偏心差.

2．新型磁阻传感器的灵敏度高达

7810~1050V/T, 分辨率可达T,

稳定性好.用本仪器做实验, 便于学生掌握新型传感器定标, 及用磁阻传感器丈量弱磁场的方法, 丈量地磁场参量准确度高； 3．本仪器不单可测地磁场水平分量, 而且能测出地磁场的年夜小与方向, 这是正切电流计等地磁场实验仪所不能到达的.

本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验. 二．仪器技术要求

1．磁阻传感器 工作电压 6V, 灵敏度50V/T

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2．亥姆霍兹线圈 单只线圈匝数N=500匝, 半径10cm. 3．直流恒流源 输出电流0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程0—

5．丈量地磁场水平分量 不确定度小于3% 6．丈量磁倾角 不确定度小于3% 7．仪器的工作电压 AC 220±10V 三．仪器外型

FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪

(以下实验讲义和实验结果由复旦年夜学物理实验教学中心提供) 一．简介

510地磁场的数值比力小, 约T

量级, 但在直流磁场丈量, 特

别是弱磁场丈量中, 往往需要知道其数值, 并设法消除其影响, 地磁场作为一种天然磁源, 在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途.本实验采纳新型坡莫合金磁阻传感器丈量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；丈量地磁场的磁倾角, 从而掌握磁阻传感器的特性及丈量地磁场的一种重要方法.由于磁阻传感器体积小, 灵敏度高、易装置, 因而在弱磁场丈量方面有广泛应用前景. 二．实验原理

物质在磁场中电阻率发生变动的现象称为磁阻效应.对铁、钴、镍及其合金等磁性金属, 当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时, 电阻几乎不随外加磁场变动；当外加磁场偏离金属的内部磁化

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方向时, 此类金属的电阻减小, 这就是强磁金属的各向异性磁阻效应.

HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以丈量二维或三维磁场).它利用通常的半导体工艺, 将铁镍合金薄膜附着在硅片上, 如图1所示.薄膜的电阻率()依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角, 具有以下关系式

()(∥)cos2 （1）

其中∥、分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率.当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流, 而垂直于电流方向施加一个外界磁场时, 合金带自身的阻值会生较年夜的变动, 利用合金带阻值这一变动, 可以丈量磁场年夜小和方向.同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带, 一条是置位与复位带, 该传感器遇到强磁场感应时, 将发生磁畴饱和现象, 也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带, 用于发生一个偏置磁场, 赔偿环境磁场中的弱磁场部份(当外加磁场较弱时, 磁阻相对变动值与磁感应强度成平方关系), 使磁阻传感器输出显示线性关系.

HMC1021Z磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器, 它能丈量与管脚平行方向的磁场.传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥, 非平衡电桥输出部份接集成运算放年夜器, 将信号放年

Vb偏置磁场电流Ｍ+△RR铝合金带外加磁场R-△RθＩ外加磁场创作时间：二零二一年六月三十日 +△RR△R-–RVout玻莫合金薄膜+创作时间：二零二一年六月三十日

夜输出.传感器内部结构如图2所示.图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同, 当存在外界磁场时, 引起电阻值变动有增有减.因而输出电压Uout可以用下式暗示为

RUoutUbR (2)

图1磁阻传感器的构造示意图 图2磁阻传感器内的惠斯通电

桥

对一定的工作电压, 如Ub5.00V, HMC1021Z磁阻传感器输出电压Uout与外界磁场的磁感应强度成正比关系,

UoutU0KB （3）

（3）式中, K为传感器的灵敏度, B为待测磁感应强度.U0为外加磁场为零时传感器的输出量.

由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近发生较宽范围的均匀磁场区, 所以经常使用作弱磁场的标准磁场.亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为

B0NI8R53/2 （4）

（4）式中N为线圈匝数, I为线圈流过的电流强度, R为亥姆霍磁线圈的平均半径, 0为真空磁导率. 四．实验装置

丈量地磁场装置如图3所示.它主要包括底座、转轴, 带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V直流电源等)

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五．实验内容 基本实验内容

1．将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点, 并使管脚和磁感应强度方向平行.即传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直.用亥姆霍磁线圈发生磁场作为已知量, 丈量磁阻传感器的灵敏度K.

2．将磁阻传感器平行固定在转盘上, 调整转盘至水平(可用水准器指示).水平旋转转盘, 找到传感器输出电压最年夜方向, 这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量B∥的方向.记录此时传感器输出电压U1后, 再旋转转盘, 记录传感器输出最小电压U2, 由

U1U2/2KB∥, 求得本地地磁场水平分量B∥.

3．将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直, 并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量B∥方向放置, 只是方向转90.转动调节

0

转盘, 分别记下传感器输出最年夜和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角1和2, 同时记录此最年夜读数U1和U2.由磁倾角

(12)/2计算的值.

4．由

U1U2/2KB, 计算地磁场磁感应强度B的值.并计算地

磁场的垂直分量BBsin.

本实验须注意：实验仪器周围的一定范围内不应存在铁磁金属物体, 以保证丈量结果的准确性. 六．实验数据例

亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N500匝, 线圈的半径r10cm;

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72＝410N/A0真空磁导率.

亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为(二个线圈串连)

式中, B为磁感应强度单元T(特斯拉)；I为通过线圈的电流, 单元A(安培).

1. 上海复旦年夜学校园内, 楼外空旷地, 丈量地磁场参量.

a.

丈量传感器的灵敏度K

表1中, 正向输出电压U1是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器发生的输出电压, 而反向U2是指励磁电流为反向时, 传感器输出电压, U(U1U2)/2.测正向和反向两次,目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响.

表1 室外空旷地上丈量传感器灵敏度

U/mV 磁感应强度励磁电流I/mA B/104T 正向 反向 平均U/mV U1/mV U2/mV 1．87 3.760 5.630 创作时间：二零二一年六月三十日

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2.2480 9.330 用Casio3600计算器进行最小二乘法拟合, 获得该磁阻传感器的灵敏度K41.28V/T, 相关系数为0.99998.(传感器工作电压取5V, 灵敏度K=41V/T,现产物传感器采纳工作电压为6V,灵敏度约50V/T)

b.

丈量地磁场的水平分量B//；地磁场的磁感应强度B总；地磁场的垂直分量B,磁

倾角. 方法：

(1) 将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去.

0(2) 把转盘刻度调节到角度.

(3) 调节底板使磁阻传感器输出最年夜电压, 同时调节底板上螺丝使转盘水平(用仪器配套的水准仪调节水平).

(4) 测地磁场水平分量:丈量输出电压U//和反向转180 , 测地

磁场水平分量

U//, 然后计算地磁场水平分量.

B//U///K(U//U//)/2K(5) 将转盘垂直, 此时转盘面为地磁子午面方向, 转动转盘角度, 丈量地磁场的磁感应强度B总和磁倾角.丈量磁倾角时须改变角度, 求屡次丈量的平均值.

 创作时间：二零二一年六月三十日 创作时间：二零二一年六月三十日

U总/mV  U总/mV 表2 磁倾角值的丈量

直接丈量地磁场水平分量, U//14.1mV,

4B0.34110T, //计算得地磁场水平分量磁感应强度

－4U＝20.3mVB＝0.49110T,总总地磁场,计算得地磁场磁感应强度46磁倾角；

地磁场垂直分量磁感应强

B总Sin0.491104Sin4600.345104T度,,最新上海地域地磁

4B0.33110T46//场水平分量为, 磁倾角为.误差小于3%.

2. 复旦年夜学物理楼三楼311室, 丈量地磁场参量.

表3 磁阻传感器的定标

磁感应励磁电流强度I/mA U/mV 平均正向 反向 U/mVB/104T U1/mV U2/mV 4.500 6.800 创作时间：二零二一年六月三十日

创作时间：二零二一年六月三十日 2.2480 11.30 9.020 11.215 13.400 用Casio3600计算器对VB直线拟合得：K49.37V/T, 相关系数为0.99998.

表4地磁场丈量结果

电压 序1 号 2 3 4 5 平均 结果 U总U1/mV U2/mV U1/mV U总 B= 2.18mV 0.441104T B= U//U U2/mV  1.45mV 0.294104T 47测得复旦年夜学物理楼三楼物理实验室, 磁倾角.

用本仪器丈量地磁场水平分量与1985年用正切电流计丈量复

4B0.29110TT相当旦年夜学物理楼三楼地磁场水平分量的结果//一致, 这间接证明本仪器丈量结果是准确的.

关于正切电流计丈量地磁场水平分量的实验方法和丈量结果, 请见贾玉润等主编, 年夜学物理实验, 复旦年夜学出书社, 1987：256-258, 结果在258页[例]中列出.

表5 分歧位置及分歧结构年夜楼地磁场水平分量丈量结果

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复旦科技园区2号丈量位置 校园内操场空地 物理楼三楼 楼五楼试制组 1959年建造 2000年建造 金属屏蔽情况 水泥空中无金属 地顶为钢筋水全钢筋水泥结构 泥, 墙为泥砖 测得地磁场水平分量B// 磁倾角β ×10T 4×10T 4×10T º 4 六．实验注意事项

1．丈量地磁场水平分量, 须将转盘调节至水平；丈量地磁场U总和磁倾角时, 须将转盘面处于地磁子午面方向.

2. 丈量磁倾角应记录分歧时, 传感器输出电压U总, 应取10

组值, 求其平均值.这是因为丈量时, 偏差1,

U总U总Cos10.998U总变动很小, 偏差4,

U总U总Cos40.998U总,

所以在偏差1至4范围U总变动极小, 实验时应测出U总变动很小角的范围, 然后求得平均值. 七．思考题

1．磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别？

2．如果在丈量地磁场时, 在磁阻传感器周围较近处, 放一个铁钉, 对丈量结果将发生什么影响？

3．为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时, 其灵敏度会降低？用什么方法来恢复其原来的灵敏度？

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八．参考资料

1．贾玉润、王公治、凌偑玲主编.年夜学物理实验, 上海复旦年夜学, 1987：492-493

2．鲁绍曾、现代计量学概论.北京, 中国计量出书社, 1987：492-493

3．黄一菲、郑神、吴亮、陆申龙, 玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用、物理实验.第22卷第4期, 2002 , 4：45-48 4．Honeywell公司, 固态传感器(磁阻传感器部份)说明书, 2001 5．沈元华、陆申龙主编, 基础物理实验, 北京：高等教育出书社, 2003

6．黄德星.磁敏感器件及其应用[M].北京： 科学出书社, 1987 7． 里夫、王秀琴等编著, 经常使用物理常数手册、云南人民出书社、1983、10：157－158 附录1:地磁场

地球自己具有磁性, 所以地球和近地空间之间存在着磁场, 叫做地磁场.地磁场的强度和方向随地址(甚至随时间)而异.地磁场的北极、南极分别在地舆南极、北极附近, 彼此其实不重合, 如图5所示, 而且两者间的偏差随时间不竭地在缓慢变动.地磁轴与地球自转轴其实不重合, 有11交角.

在一个不太年夜的范围内, 地磁场基本上是均匀的, 可用三个参量来暗示地磁场的方向和年夜小(如图6所示)：

(1) 磁偏角, 地球概况任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图6

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中B//与Z构成的平面, 称地磁子午面), 与地舆子午面(图6中X、Z构成的平面)之间的夹角.

(2) 磁倾角, 磁场强度矢量B与水平面(即图6的矢量B和OX与OY构成平面的夹角)之间的夹角.

B(3) 水平分量//, 地磁场矢量B在水平面上的投影.

丈量地磁场的这三个参量, 就可确定某一地址地磁场B矢量

的方向和年夜小.固然这三个参量的数值随时间不竭地在改变, 但这一变动极其缓慢, 极为微弱.

附录2:我国一些城市的地磁参量(地磁要素)

地舆位置 地名 北纬 齐齐哈尔 47º22′ 长春 沈阳 北京 天津 太原 济南 兰州 郑州 西安 43º51′ 41º50′ 39º56′ 39º05′.9 37º51′.9 36º39′.5 36º03′.4 34º45′ 34º16′ 东经 123º59′ 126º36′ 123º28′ 116º20′ 117º11′ 112º33′ 117º01′ 103º48′ 113º43′ 108º57′ 磁倾角磁倾角I D(偏西) 7º34′ 7º30′ 6º49′ 4º48′ 4º04′ 3º18′ 3º36′ 1º15′ 0º18′ 3º02′ 64º27′ 60º20′ 58º43′ 57º23′ 56º21′ 55º11′ 53º06′ 53º24′ 50º43′ 50º29′ 水平强B∥ (10T) 0.320 4测定 年份 1916 1916 1936 1916 1932 1915 1932 1932 创作时间：二零二一年六月三十日

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南京 上海 成都 武汉 安庆 杭州 南昌 长沙 福州 桂林 昆明 广州 32º03′.8 31º11′.5 30º38′ 30º37′ 30º32′ 30º16′ 28º42′.4 28º12′.8 26º02′.2 25º17′.7 25º04′.2 23º06′.1 118º48′ 121º26′ 104º03′ 114º20′ 117º02′ 120º08′ 115º51′ 112º53′ 119º11′ 110º12′ 102º42′ 113º28′ 1º42′ 3º13′ 0º58′ 2º23′ 2º59′ 1º51′ 0º50′ 1º43′ 0º05′ 0º04′ 0º47′ 46º43′ 45º25′ 45º06′ 44º34′ 44º27′ 44º05′ 41º49′ 41º11′ 27º28′ 36º13′ 35º19′ 31º41′ 1922 1911 1917 1917 1907 1917 1907 1911 上海复旦天欣科教仪器有限公司 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 装 箱 清 单

您购买的产物与装箱清单中是否符合, 请验收.

日期： 年 月

日

名 称 数量 备注 1、FD-HMC-2主机 1台 含电流源和数字电压表 创作时间：二零二一年六月三十日

创作时间：二零二一年六月三十日

2、实验装置架 3、电源线 4、橡焦叉头连接线 5、橡焦叉头连接线 6、水平仪 7、仪器使用说明书 8、合格证 创作时间：二零二一年六月三十日

1套 1根 2根 2根 1只 1份 1份 含磁阻传感器和亥姆霍兹线圈 红色 黑色 创作时间：二零二一年六月三十日