地磁場水平分量的測量

1、83實驗二十九 地磁場水平分量的測量1、教學(xué)目標(biāo)(1學(xué)習(xí)測量地磁場水平分量的方法; (2了解正切電流計的原理; (3學(xué)習(xí)分析系統(tǒng)誤差的方法2、教學(xué)難點、重點難點:地磁場的相關(guān)概念; 正切電流計的原理。 重點:測量方法和測量公式。 3、實驗室提供的儀器和用具亥姆霍茲線圈 (N=640匝, R=10cm , 地質(zhì)羅盤 (DL-I 型 , 直流穩(wěn)壓電源 (DF173系列 , 電阻箱 (ZX21型 ,直流電流表(0.5級, 10Ma ,換向開關(guān),水準(zhǔn)器。4、實驗原理4.1 地磁場與地磁要素地球是一個大磁體,地球本身及其周圍空間存著磁場叫做“地球磁場”又稱地磁場,其主要部分是 一個偶極場。地心偶極子軸線

2、與地球表面的兩個交點稱為地磁極,地磁的南(北極實際上是地心磁偶極 子的北(南極,如圖 1。地心磁偶極子的磁軸 m m S N 與地球的旋轉(zhuǎn)軸 NS 斜交一個角度 o 5. 11, 00。 所以地磁極與地理極相近但不 相同, 地球磁場的強度和方向隨 地點、時間而發(fā)生變化。地球表面任何一點的地磁 場的磁感應(yīng)強度矢量 B 具有一 定的大小和方向。 在地理直角坐 標(biāo)系中如圖 2所示。 O 點表示測 量點, x 軸指向北,即為地理子 午線(經(jīng)線的方向; y 軸指向 東,即為地理緯線方向; z 軸垂 直于地平面而指向地下。 XOy 代 表地平面。 B 在 xOy 平面上的投 影 /B 稱為水平分量,水平分

3、量所指的方向就是磁針北極所指的方向, 即磁子午線的方向; 水平分量偏離地理真北極的角度 D 稱為磁偏角, 也就是磁子午線與地理子午線的夾角。由地理子午線起算,磁偏角東為正,西偏為負(fù)。 B 偏離水平面的角 度 I 稱為磁傾角。在北半球的大部分地區(qū)磁針的 N 極下傾,而在南半球,則磁針的 N 極向上仰,規(guī)定 N 極 下傾為正,上仰為負(fù)。 B 的水平分量 /B 在 x 、 y 軸上的投影,分別稱為北向 分量 x B 和東向分量 y B ; B 在 Z 軸上的投影 z B 稱為垂直分量。 故某一地點O 的地磁要素有:地磁場總磁感應(yīng)強度 B ,磁傾角 I ,磁偏 角 D ,水平分量 /B ,垂直分量 z

4、 B ,北向分量 x B ,東向分 量 y B 。不難看出,它們是 B 在各個坐標(biāo)體系中的坐標(biāo)值,比如 z y x B B B , , 就是圖 1圖 284B 在直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值,而 , , /B B z D 和 D 、 /B 、 I 則分別是 B 在柱面坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值, 這三種坐標(biāo)體系是彼此獨立的,在它們之間,存在著如下的變換關(guān)系:zyxz y x BBBBBBtgI B B D B B D B B 2/2222/2/, ,sin , cos +=+=I B I B B z csc sec /=; xy B B tgD =(1如果知道其中獨立的三個,其它四個就可以計算出來。

5、確定某一點的地磁場通常用磁偏角,磁傾角和水平分量 /B 三個獨立要素。4.2 利用正切電流計算原理,測定地磁場的水平分量 /B 我們利用 亥姆霍茲線圈 制成一臺正切電流計,亥姆霍茲 線圈是一對 相同 的 圓形線圈 ,彼此 平行而且共軸 ,兩線圈 平行放置, 繞行方向一致 ,相互 串聯(lián) ,其線圈的 間距等于 線圈的半徑 。在中心點附近較大范圍內(nèi)的磁場是相當(dāng)均勻的,亥姆霍茲 線圈在低磁場情況下既做磁化線圈,產(chǎn)生給定的磁場,又可做 為弱磁場的計量基準(zhǔn),在較大的空間范圍內(nèi),由于空間場的不均勻性引起的誤差是很小的。在亥姆霍茲線 公共軸線的中點 處, 水平 放置一羅盤,即構(gòu)成了正切電流計,如圖 3示。 在

6、通電前,先將線圈平面與羅盤指針相平行,即線圈平面與地磁子午面一致。然后在線圈中通以直流電,亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的 B 必 和地磁場的水平分量 /B 相垂直,羅盤之中的磁針就在 B 、 /B 兩磁場所產(chǎn) 生的磁力矩同時作用下偏離地磁子午面, 與磁子午面成一定的角度 , 如圖 4所示。 由圖可知tg B B =/' (2亥姆霍茲線中點的磁場為 2358' =RNIB (3式中:N 為線圈的匝數(shù), R 為線圈的平均半徑, I 為流經(jīng)線圈的電流強度, 27/104A N -=將 (29-2式代入(1式得 tg R NI B =2/3/58 (4即 Ktg tg N B R I =85/2/3 (5式中 NB R K 85/2/3=。對于同一個測量地點和給定的正切電流計, N R B 和 , /均為不變值,故 K 為一常量。 圖 3圖 485由(5式可知,流過電流計的電流強度與磁針偏轉(zhuǎn)角 的正切成正比。因此這種電流計稱為正切電 流計。若能測得流過正切電流計的電流 I ,與羅盤指針的偏轉(zhuǎn)角 ,即能測得地磁的水平分量 /B 值。5、 實驗內(nèi)容:利用自制的正切電流計測量地磁場的水平分量。 6、實驗電路和測