李宏静 邓晏 刘广伟 齐彬 李宝河 俱海浪
摘 要：存在于地球周围具有磁力作用的空间，称为地磁场。地球磁场和地球引力一样，是一个地球物理场，是地球内部的物理性质之一。地球的磁性，是地球上生命的保护伞，准确测量地磁场对震前预测、地质勘测等有着重要的意义。描述地磁可以由三要素导出，文章即介绍采用正切检流法测量地磁三分量。
关键词：地磁三分量；正切检流计法；亥姆霍兹线圈
地磁场的存在，是使得地球的生命体得以不断延续的重要原因之一[1]，然而，对于地磁的成因，至今却还没有统一的定论。地磁场的测量在指南、探矿、发电、预报自然灾害、解释自然现象等方面被广泛应用[2]，可见地磁场的测量是一项很重要的工作。本实验主要介绍用正切检流计法测量地磁三要素。
1 实验装置
实验构架如图1所示，它是由亥姆霍兹线圈、带角度盘的精密小磁针、电源、电流测量装置及导线组成[3]。
2 实验原理
本实验用正切检流计法测地磁三要素，即通过测量在亥姆霍兹线圈所产生的均匀磁场中，通过观察小磁针在亥姆霍兹线圈磁场与地磁分量磁场的共同作用下所偏转的角度，来计算出线圈磁场强度与地磁分量磁场强度的关系，来得出地磁的三要素[4]。
通电前，让小磁针指向与亥姆霍兹线圈的轴线垂直。这样当给亥姆霍兹线圈通电后，亥姆霍兹线圈的磁场方向与地磁的水平分量相互垂直。亥姆霍兹线圈中心的磁场可以用下式表示：
，其中
是与亥姆霍兹线圈构造相关的常数。上式表明，亥姆霍兹磁场与通电电流成正比，利用特斯拉计测量通以某一恒定电流的亥姆霍兹线圈的磁场，从而标定出线圈的K值。改变亥姆霍兹线圈的电流，使小磁针的偏转角度为？兹。因此只要知道亥姆霍兹线圈的磁场和小磁针的偏角，就可以计算得到地磁的水平分量。用类似的方法，也可以测出地磁的竖直分量BZ。
因为设备的的问题，我们没有办法获得精确的磁偏角值，所以，本实验所采用的磁偏角为国家公布值。利用地磁场水平分量的值和磁偏角的数据可以计算得到地磁的X分量和Y分量。
3 实验过程及数据处理
3.1 转动仪器底座，使小磁针指向与亥姆霍兹线圈轴线垂直，0刻度线对准小磁针，调节通过亥姆霍兹线圈的电流，即旋转电位器，使小磁针分别偏25°、30°、40°、50°、60°、70°，记录对应的电流值。另外给亥姆霍兹线圈电流反向，再依次测量小磁针偏转以上角度时的电流值，通过这些数据，拟合计算得到地磁的水平分量。
3.2 将带小磁针的角度盘转向竖直位置，当亥姆霍兹线圈不加磁场时，转动仪器底座，使小磁针指向竖直方向，0刻度线与小磁针对齐。调节通过亥姆霍兹线圈的电流，使小磁针分别偏20°、30°、40°、50°、60°、70°，记录对应的电流值。另外给亥姆霍兹线圈电流反向，再依次测量小磁针偏转以上角度时的电流值，通过这些数据，拟合计算得到地磁的竖直分量。
3.3. 利用测量得到的地磁的水平分量和竖直分量，计算地磁的磁倾角和总地磁场的大小。
测量地点：北京房山区良乡大学城一处空旷地
测量日期：2013-6
磁偏角D=5.983
地点是在一处空旷区域，周围没有建筑。由数据可知此处的百分误差在可接受范围之内，说明该处的条件较为理想，符合实验环境，也说明正切检流计法能较为精确的测量地磁要素。
4 结束语
磁针的偏转过大或过小都会产生较大的误差。所以测量时要注意选择偏转角，经数据得知20°<偏转角<70°较合适。地点的选择比较重要，要排除周围环境中的电子设备及地下埋有的金属等物质的影响。
参考文献
[1]Lenz J E，Rouse G F，Strandjord. A high-sensitivity magnetoresistive sensor.Solid-State Sensor and Actuator Workshop，1990，（4）：114-117.
[2]朱业俊，陶小平，孙腊珍.亥姆霍兹线圈磁场的探究[J].物理实验，2010，30（3）： 42-46.
[3]曾晓英.亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差估算[J].物理实验，2000，20（5）：38.
[4]胡秋友，程福臻，叶邦角.电磁学与电动力学（上册）[M].北京：科学出版社，2007：120-126.
作者简介：李宏静（1985-），女，硕士研究生，北京人，助理实验师，大学物理实验室管理及透射电镜使用与维护。
