居家實驗地磁場的測量實驗報告

居家實驗——地磁場的測量實驗報告一． 實驗?zāi)康恼莆沾抛鑲鞲衅鞯奶匦?。掌握地磁場的測量方法。二．實驗原理物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。對于鐵、鈷、鎳及其合金等磁性金屬，當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時，電阻幾乎不隨外加磁場變化；當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)部磁化方向時，此類金屬的電阻減小，這就是強(qiáng)磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng)。HMC1021Z型磁阻傳感器由長而薄的坡莫合金(鐵鎳合金)制成一維磁阻微電路集成芯片(二維和三維磁阻傳感器可以測量二維或三維磁場)。它利用通常的半導(dǎo)體工藝，將鐵鎳合金薄膜附著在硅片上，如圖6-8-1所示。薄膜的電阻率依賴于磁化強(qiáng)度和電流方向間的夾角，具有以下關(guān)系式其中分別是電流平行于和垂直于時的電阻率。當(dāng)沿著鐵鎳合金帶的長度方向通以一定的直流電流，而垂直于電流方向施加一個外界磁場時，合金帶自身的阻值會生較大的變化，利用合金帶阻值這一變化，可以測量磁場大小和方向。同時制作時還在硅片上設(shè)計了兩條鋁制電流帶，一條是置位與復(fù)位帶，該傳感器遇到強(qiáng)磁場感應(yīng)時，將產(chǎn)生磁疇飽和現(xiàn)象，也可以用來置位或復(fù)位極性；另一條是偏置磁場帶，用于產(chǎn)生一個偏置磁場，補(bǔ)償環(huán)境磁場中的弱磁場部分(當(dāng)外加磁場較弱時，磁阻相對變化值與磁感應(yīng)強(qiáng)度成平方關(guān)系)，使磁阻傳感器輸出顯示線性關(guān)系。HMC1021Z磁阻傳感器是一種單邊封裝的磁場傳感器，它能測量與管腳平行方向的磁場。傳感器由四條鐵鎳合金磁電阻組成一個非平衡電橋，非平衡電橋輸出部分接集成運(yùn)算放大器，將信號放大輸出。傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-8-2所示，圖中由于適當(dāng)配置的四個磁電阻電流方向不相同，當(dāng)存在外界磁場時，引起電阻值變化有增有減。因而輸出電壓可以用下式表示為磁阻傳感器的構(gòu)造示意圖磁阻傳感器內(nèi)的惠斯通電橋?qū)τ谝欢ǖ墓ぷ麟妷海纾琀MC1021Z磁阻傳感器輸出電壓與外界磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，上式中，為傳感器的靈敏度，為待測磁感應(yīng)強(qiáng)度。為外加磁場為零時傳感器的輸出量。由于亥姆霍茲線圈的特點(diǎn)是能在其軸線中心點(diǎn)附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場區(qū)，所以常用作弱磁場的標(biāo)準(zhǔn)磁場。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點(diǎn)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：上式中N為線圈匝數(shù)（500匝）；亥姆霍茲線圈的平均半徑；真空磁導(dǎo)率。三． 實驗步驟1、將磁阻傳感器放置在亥姆霍茲線圈公共軸線中點(diǎn)，并使管腳和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行。即傳感器的感應(yīng)面與亥姆霍茲線圈軸線垂直。用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場作為已知量，測量磁阻傳感器的靈敏度。2、將磁阻傳感器平行固定在轉(zhuǎn)盤上，調(diào)整轉(zhuǎn)盤至水平(可用水準(zhǔn)器指示)。水平旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，找到傳感器輸出電壓最大方向，這個方向就是地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量的方向。記錄此時傳感器輸出電壓后，再旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，記錄傳感器輸出最小電壓，由，求得當(dāng)?shù)氐卮艌鏊椒至俊?、將帶有磁阻傳感器的轉(zhuǎn)盤平面調(diào)整為鉛直，并使裝置沿著地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量方向放置，只是方向轉(zhuǎn)90。轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤，分別記下傳感器輸出最大和最小時轉(zhuǎn)盤指示值和水平面之間的夾角和，同時記錄此最大讀數(shù)和。由磁傾角計算的值。4、由，計算地磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的值。并計算地磁場的垂直分量。四． 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理測量傳感器靈敏度K勵磁電流I/mA磁感應(yīng)強(qiáng)度B/10TU/mV平均/mV正向U/mV反向U/mV10.00．45021．022．022．020.00．89942．044．043．030.01．3562．065．064．040.01．8084．090．087．050.02．2510711211060.02．68129132131

用最小二乘法擬合，得K=49.1V/T相關(guān)系數(shù)為r=0.99843434444454546464747U/mV-1.14-1.13-1.13-1.13-1.13-1.13-1.13-1.13-1.14-1.14測得磁傾角為45測量地磁場B電壓12345平均結(jié)果UU/mV17.817.817.817.817.917.8/mV=15.0=0.305×10U/mV-12.2-12.3-12.2-12.2-12.2-12.2UU/mV23.723.723.823.823.823.8/mV=20.1=0.409×10U/mV-16.3-16.3-16.3-16.3-16.3-16.3由，算得磁傾角為=40五． 實驗結(jié)果首先測得了磁阻傳感器靈敏度K=49.1V/T，相關(guān)系數(shù)為r=0.998，所以最小二乘法擬合獲得了比較理想的結(jié)果。直接測磁傾角測得=45。由，間接測得=40。與參考數(shù)據(jù)44相比，相對誤差分別為1%，與11%，后者誤差較大。測得武漢大學(xué)物理學(xué)院5樓處地磁場水平強(qiáng)度為0.305×10T，與參考數(shù)據(jù)0.343×10T相比，相對誤差為12%。測