地磁场测量方法研究与实践.doc

文理学院物理与机械电子工程学院本科毕业论文（设计） 题 目 地磁场测量方法研究与实践 专业班级 10级物理学01班 学 号 学生姓名 指导教师 设计所在单位 文理学院 2014 年 5月西安文理学院本科毕业设计（论文）任务书题 目地磁场测量方法的研究与实践学生姓名学 号专业班级10物理学1班指导教师职 称教 研 室物理学毕业设计（论文）任务与要求地磁场测量的目的就在于在地磁场观测中，通常用三个参量(1)磁偏角A，(2)磁倾角，(3)地磁场磁感应强度的水平分量B来表示地磁场的方向和大小，本论文主要测量地磁场感应强度的水平分量B，培养我们的实验能力和创新能力，并提高我们的动手能力。一、研究目标及内容：1、知道地磁场的概念以及成因；2、实验与理论结合，讨论地磁场常见测量方法，实验室进行两三种方案实施主要测量地磁场感应强度的水平分量B，并进行数据处理；3、对以上方法进行总结归纳和比较。二、学生主要完成的任务：1、查阅与论文相关资料和书籍。2、按论文进度进行写作，熟读本论文的参考文献，熟悉毕业论文写作规范；3、按西安文理学院论文要求，认真检查自己所写论文，无误后提交。毕业设计（论文）工作进程起止时间工作内容12.17-12.283.10-3.283.5-4.14.2-4.154.1-5.135.13-5.175.18 选题提交任务书，开题报告查阅相关论文、文献的阅读提交论文框架，充分阅读文献 文章初稿的写作，文章二稿的写作 文章三稿的写作及修改 提交定稿准备答辩，同时根据指导教师和评阅教师意见作出修改开始日期 完成日期 教研室主任（签字） 系主任（签字） 西安文理学院本科毕业设计（论文）开题报告题 目地磁场测量方法研究与实践学生姓名学 号专业名称物理学指导教师开题时间2014年3月12日班 级10级物理学1班一、 选题目的和意义：目的：地磁测量可分为陆地磁测、海洋磁测、航空磁测和卫星磁测。根据测量范围的不同，地磁测量又可分为全球性的、区域性的和地方性的。地磁测量可以分为绝对测量和相对测量。地磁场测量的目的就在于在地磁场观测中，通常用三个参量(1)磁偏角A，(2) 磁倾角，(3) 地磁场磁感应强度的水平分量B来表示地磁场的方向和大小，测量地磁场磁感应强度的水平分量B，培养我们的实验能力和创新能力，并提高我们的动手能力。意义：由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着磁场, 这个磁场就是地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量又迫切的需求。因此，磁场的测量已成为热点课题之一。 2、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势：随着信息技术的发展，磁场测量的方法日新月异，根据地磁测量的特点，及它对测量环境和测量精度有特殊的要求，地磁测量在无数的科学家的努力下不断进步。在将来，地磁测量主要有以下发展趋势：首先，地磁传感器体积逐渐变小，操作更加简便。实际情况中，一方面要求地磁传感器的观测是在不断改变自己空间位置的；另一方面，地磁传感器的载体多为强磁性物体，载体本身的固有磁场也随着空间位置变化而改变。因此测量地磁的传感器必须具备便于野外携带，体积小，重量轻，操作简单等特点。第二，地磁测量数据全球化，更新周期快速化；要逐步实现地磁数据库的全球化，这样不仅有利于地磁信息的分析，也有利于地磁模型的建立和完善，可以更快地扩大地磁的测量区域，最大程度的提高数据库的更新速度。第三，数据处理的自动化，地磁模型合理化。地磁数据库的不断完善扩大，所要分析的数据源也越来越多，这就需要首先由全球地磁场分布矢量图，同时采用合理的地磁模型对测量数据加以拟合，从而将得到更精确的地磁信息，以期更好地利用地磁资源。目前的研究一方面在于地磁场基本原理、基本特性、理论模型的探索，另一方面在于开发地磁场的实用领域，利用地磁场为人类服务，而两方面的基础都建立在对于地磁场的量。 3、 主要研究内容：1.选题的目的与意义2.本课题的发展趋势3.本课题主要讨论的问题4.知道地磁场的概念以及成因5.在本篇论文中地磁场观测主要测量地磁场感应强度的水平分量B，即地磁场磁感应强度矢量B在水平面上的投影，对地磁场的研究提供有效数据。6. 地磁场测量方法研究与实践7.地磁场多种测量方法的优缺点比较指导教师意见及建议：目前该同学已经完成了论文的资料搜集，开题报告，也良好的进行了测量实验的方案及相关材料的熟悉。报告的内容和形式基本符合要求，论文整体组织逻辑感强，结构清晰，内容详实，步骤基本合理，写作思路和准备工作基达到本科毕业论文水平，具有一定的研究基础，能达到预期目标，同意开题 签字： 年 月 日教研室审核意见： 签字： 年 月 日西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表题 目地磁场测量方法研究与实践学生姓名学 号专业名称物理学指导教师检查时间2013-5-4班 级10级01班毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况该同学经过几个月的努力，以及和指导老师及时的沟通交流，论文大体框架已经完成。包括以下几个方面：（1）对设计思路清楚，理解设计的主要目的和需要解决改进的问题。（2）通过大量查找熟读文献，对所进行的实验的优缺点，有较好的把握和见解。（3）自己动手做了一个地磁测量实验，基本取得了预期的效果，并完成数据的测量，分析。（4）还有一个实验目前处于正在进行状态，尚未的出有效数据，对此实验的效果的分析未进行。指 导 教 师 意 见 目前该同学已经完成了论文的提纲，开题报告，素材收集，测量实验的方案搜集和研究也进行良好，文章的基本框架已经形成，实验的数据还需深度分析。能主动与指导教师和实验室老师积极沟通交流，按照导师的意见认真修改，积极完成进行实验提高自己的实验和动手能力。签字： 年 月 日教研室意见签字： 年 月 日地磁场测量方法研究与实践 摘要：由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着地磁场。地球磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。因为地磁场有如此重要应用价值，所以人们对地磁场在不同时间和空间上的磁感应强度的水平分量B进行了多种实验的测量。本论文设计一些简单的物理实验进行地磁测量，主要测量地磁场磁感应强度的水平分量B，以提高笔者的实验能力和创新能力。关键词：地球磁场；物理实验；地磁测量；实验能力Geomagnetic field measurements Research and PracticeAbstract： Due to the magnetism of the earth,the space around the earth is the earths magnetic field.It is one of the resources of the earth, and it has an intimate connection with human beings.In addition, it plays an important role in the science of the earth,aerospace technologies,resources exploration,transportation,national defense,earthquake prediction and so on.It is because the earths magnetic field has such a significant application of value that scientists did various experimental measures about the magnetic induction intensity level component B in different time and places.In this thesis, the author design some simple physical experiments to have a geomagnetic measurement. And mainly measures the horizontal component B of the geomagnetic flux density. It aims to improve the authors experimental and innovative abilities.Key word: The earths magnetic field;Physics experiments；magneticmeasurement;experimental ability.目录目录第1章 绪论11.1 选题的目的与意义11.2地磁场测量在国内外的研究状况及发展趋势11.3 本课题主要讨论问题2第2章 地磁场32.1地磁场的概念32.2地磁成因32.3地磁场的发现4第3章 地磁测量53.1地磁三要素53.2陆地磁测53.3海洋磁测63.4航空磁测63.5卫星磁测6第4章 地磁场测量实验84.1简易方法测地磁场84.1.1实验的基本原理84.1.2测量仪器与测量方法84.1.3数据处理及分析94.2电子束磁聚焦法测量地磁场94.2.1电子束磁聚焦法的基本原理94.2.2 测量方法114.2.3测量结果与讨论124.3用磁摆测量地磁场水平分量124.3.1磁摆法实验原理124.3.2实验装置与实验步骤134.3.3实验数据及分析13第五章 实验分析145.1实验对比与分析145.1.1简易方法测地磁场145.1.2电子束磁聚焦法测量地磁场145.1.3用磁摆测量地磁场水平分量155.2实验总结15结束语16致谢17参考文献18第2页西安文理学院本科毕业设计（论文）第1章 绪论行军、航海利用地磁场对指南针的作用来定向，人们还可以根据地磁场在地面上分布的特征寻找矿藏，地磁场的变化能影响无线电波的传播。地磁场还是地球的“保护伞”，因此人类的生活离不开地磁场。1.1 选题的目的与意义地磁场根据测量范围的不同，可分为全球性的、区域性的和地方性的。地磁测量可以分为绝对测量和相对测量。地磁场测量的目的就在于在地磁场观测中，通常用三个参量(1)磁偏角A，(2) 磁倾角，(3) 地磁场磁感应强度的水平分量B来表示地磁场的方向和大小，测量地磁要素及其随时间和空间的变化，从而培养我们的实验能力和创新能力，并提高我们的动手能力。由于地球本身具有磁性，所以地球附近的空间存在着地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量又迫切的需求。因此，地磁场的测量已成为热点课题之一。1.2地磁场测量在国内外的研究状况及发展趋势随着信息技术的发展，磁场测量的方法日新月异，根据地磁测量的特点，及它对测量环境和测量精度有特殊的要求，地磁测量在无数的科学家的努力下不断进步。在将来，地磁测量主要有以下发展趋势：首先，地磁传感器体积逐渐变小，操作更加简便。实际情况中，一方面要求地磁传感器的观测是在不断改变自己空间位置的；另一方面，地磁传感器的载体多为强磁性物体，载体本身的固有磁场也随着空间位置变化而改变。因此测量地磁的传感器必须具备便于野外携带，体积小，重量轻，操作简单等特点。第二，地磁测量数据全球化，更新周期快速化；要逐步实现地磁数据库的全球化，这样不仅有利于地磁信息的分析，也有利于地磁模型的建立和完善，可以更快地扩大地磁的测量区域，最大程度的提高数据库的更新速度。第三，数据处理的自动化，地磁模型合理化。地磁数据库的不断完善扩大，所要分析的数据源也越来越多，这就需要首先由全球地磁场分布矢量图，同时采用合理的地磁模型对测量数据加以拟合，从而将得到更精确的地磁信息，以期更好地利用地磁资源。目前的研究一方面在于地磁场基本原理、基本特性、理论模型的探索，另一方面在于开发地磁场的实用领域，利用地磁场为人类服务。1.3 本课题主要讨论问题地磁场测量的目的就在于在地磁场观测中，通常用三个参量(1)磁偏角A，(2) 磁倾角，(3) 地磁场磁感应强度的水平分量B来表示地磁场的方向和大小，本论文主要对地磁场感应强度的水平分量B进行基本实验测量，从而培养提高我们的实验动手能力和创新能力。第2章 地磁场地磁场对人类的生产、生活都有重要意义。因此我们要对地磁场有一定的认识与了解，这样才能更好的利用地磁场从而更好的为我们服务。2.1地磁场的概念地球是有磁性的，简称叫做地磁，磁针能指明地磁南北两极。地理两极和地磁两极不在一个位置。地磁子午线即磁针在某点水平面上所指的方向与地理子午线有一个夹角，这个夹角叫做磁偏角A。地磁不仅在地质历史中发生极性变化，而且在现在，地磁强度在地球上各处是不相同的。地球的磁场和太阳黑子所产生的磁场强度相差上万倍。太阳所发生的磁爆给地球磁场造成相当大的影响。在迎着太阳方向，地球的磁场能向外延伸5万公里；在背着太阳的方向，地球磁场能向外延伸10万多公里。在地磁两极，由于地磁场捕获高能电子，这种高能电子在地磁场两极产生极光现象。在南极的叫南极光，在北极的叫北极光。2.2地磁成因有众多的学者在研究地磁的成因，地磁场的成因至今还没有定论，是地球物理学重大理论难题之一。人们对地磁场的成因作过各种各样的探讨，创立了众多的假设。其中较重要的有三种：铁磁体假说、热电假说和发电机假说。根据地球的平均比重大，地壳、地幔的比重小，及陨石资料（铁是陨石中含量最大的重金属），一般认为地核由铁、镍等重金属物质构成。而铁又是产生磁性的重要物质。所以，铁磁体假说出现。它认为地核本身就是一个大磁化体，由此也就决定了地球具有偶极特性的磁场。但因为地核的温度远超过居里点，所有的铁磁性物质，在这一温度下都将丧失其磁性，所以，这一假说是不可能成立的。地磁场具有快速变化的特点，这说明地磁场的形成肯定与地壳和地幔无关，因为地壳、地幔主要呈固态的特性，决定了其中各种过程具有漫长的地质时间尺度，不可能出现几十年或几百年的明显变化。而外核为液态，具有快速反应外部激励和变化的能力。而铁、镍等物质，又是电的良导体。从而提出由于带电物质热对流造成地磁场的热电假说。但是，要产生如今强度的地磁场需要109A的电流强度，外核液态铁能否产生如此大的电流引起怀疑。同时，这种热对流也难以形成偶极性特征的磁场。所以这种假说也慢慢被放弃。目前为止获得最多支持的假说，是发电机假说。由于液态外核主要为具有高导电性能的铁镍构成，这些物质在地核外磁场中的相对运动及与磁场相互作用，就有可能产生电流，这种电流又会产生磁场。在一定条件下，当新产生的磁场和原磁场叠加就产生自激作用，像一台发电机一样，产生地磁场。这种假说刚产生时提出的“单圆盘发电机假说”，尚不能解释地磁场反转问题。后来又出现“非稳定发电机假说”、“双圆盘发电机假说”等多种发电机假说用以解释磁场的相关问题。这种理论自20世纪40-50年代发展起来，到目前为止可以一般地解释至今所知的地球磁场的各种特点，越来越受到多数人的支持。但这个假说最大的问题是磁流体“发电机”的能量来源问题。不少人试图用外核中液态物质的热对流、物质分异、放射性蜕变、核幔自转轴向运动差异等来解释，但总不能得到满意的结果。所以，地磁场的形成和反转问题，一直是悬而未决的地球物理学重大难题。2.3地磁场的发现 我国宋代科学家沈括（10341094）在公元1086年写的梦溪笔谈中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。沈括是历史上第一个从理论高度来研究磁偏现象的人。提出较系统的原始理论的是英国人吉尔伯特。他在1600年著的磁体一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记了下来，同时创造性地作了划时代的实验：把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上。 地球是一个巨大的天然磁体，它的磁场与条形磁体的磁场一样。地磁场的存在对人类的生产、生活都有重要意义。第3章 地磁测量地磁测量主要可分为：陆地磁测；海洋磁测；航空磁测；卫星磁测，在进行地磁测量时根据不同的条件和要求可选择最合适的地磁测量方法测量地磁场的三要素，以达到测量速度与精度的高标准1。3.1地磁三要素地球是个大磁体，在地球周围空间存在着磁场，即地磁场。实验证明，地磁极和地理的南北极并不完全相合，而且地磁场磁感线的两个汇集点并不在地面上，而是在地面下。它们间的距离比地球直径短，而且两个磁极的连线不经过地心。由于地球的磁极与地理两极并不相合，所以磁针所指的南北方向仅仅是近似的。磁针静止时所指的方向跟实际南北方向之间的夹角叫磁偏角，用A表示地磁场的强弱叫地磁感应强度B，地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角A；地磁场的磁感线一般不与地面平行，而与水平面交成一定的角度，这个角叫磁倾角，用表示，它可以用磁倾测量仪测出来。各地磁倾角不同，在地磁极处90。磁偏角和磁倾角只能确定地磁场的方向，而不能表明地磁场强弱。磁场的强弱是用磁感应强度表示的，它的方向就是磁感线的切线方向。某一点处磁感应强度的水平分量很容易测量，通常就用水平强度来表示某处地磁场的强弱。知道了某地的磁偏角A，磁倾角， 地磁场磁感应强度的水平分量B，该点的地磁场就清楚了，所以这三个量叫做地磁场的三要素。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方，地磁三要素的变化一般都十分微小。3.2陆地磁测利用磁力仪在地面上进行地磁测量。一般使用磁偏角仪测量地磁偏角，使用石英丝水平强度磁力仪测量地磁水平强度，使用质子旋进磁力仪测量地磁总强度。用这样一组仪器进行测量,不仅速度快,而且精度高。地磁测点的分布要求尽量均匀，并应设在磁场均匀、没有人为干扰的地方。测点的经纬度是通过天文观测确定的。根据地磁测量的目的和要求，测点又有复测点和普通点之分。复测点的距离一般为二、三百公里，每年复测 1次。复测点的地磁资料主要是用来研究地磁场的长期变化，它在很大程度上弥补了地磁台站少、分布不均匀的缺陷。普通点的距离一般为几十公里，其资料主要用来编绘地磁图。为了保证地磁资料的精度，不仅要有高精度的地磁仪器，而且要有合理的观测方法。在所有的地磁测量中，陆地磁测资料的精度最高，它不仅可以用来研究地磁场及其长期变化，而且也为研究固体地球物理学、地质和地球物理勘探中的某些问题提供重要的依据。3.3海洋磁测利用船只携带仪器在海洋进行的地磁测量。主要有 3种形式：一是在无磁性船上安装地磁仪器；二是用普通船只拖曳磁力仪在海洋上测量；三是把海底磁力仪沉入海底进行测量。大规模地进行海洋磁测，是在20世纪初叶。19051929年，美国卡内基研究所先后用专门装备起来的船只和卡内基号无磁性船，在太平洋、大西洋和印度洋等海域进行了测量，取得了大量的磁偏角、磁倾角和水平强度资料。1957年以后，苏联利用曙光号无磁性船连续完成了印度洋、太平洋和大西洋的航行，获得大量的地磁资料。从50年代开始，拖曳式质子旋进磁力仪用于海上测量地磁总强度。70年代末,质子旋进磁力仪才被安置在海底来直接测量地磁场，这样在海洋表面和海底同时测量，就可以得到地磁场的垂直梯度。海洋磁测资料对编制地磁图、以及研究海洋地质和海底资源都有重要的作用，海洋磁测发现了海底条带状磁异常，为板块构造学说提供了重要依据。3.4航空磁测 用飞机携带磁力仪在空中进行的地磁测量，它比陆地磁测和海洋磁测速度快，费用省。航空磁测可分为两种类型，一种是用磁通门磁力仪，或质子旋进磁力仪，或光泵磁力仪测量地磁场的总强度（标量）；另一种是用磁通门分量磁力仪,或质子旋进分量磁力仪测量地磁场的各个分量，有的测量磁偏角、水平强度和磁倾角，有的测量地磁场的北向强度、东向强度和垂直强度。测量地磁总强度时，飞行高度较低，通常是几十米或几百米，测线也较密，线距为几百米或几千米。为了减少飞机本身产生的磁场对测量结果的影响，要把探头放在机舱外面，用一定长度的电缆同飞机联接。测量地磁场分量的难度比测量其总强度的难度大得多，这是因为不仅要测定探头相对于参考系统的方向，而且要补偿飞机磁场对测量结果的影响。在进行航空磁测时,除了磁力仪之外定位和导航是很重要的辅助技术。根据测量的目的和测区的条件，可以使用不同的定位和导航方法。航空磁测数据用模拟记录器或数字磁带来收集，并用微处理机进行处理。尽管三分量航空磁测的精度低于地面磁测的精度，但它可以在交通不便或不可能进行地面磁测的地区进行测量，为研究这些地区的地磁场及其长期变化提供资料。另外，航空磁测还广泛地应用于金属矿普查、石油普查和地质构造研究等方面。3.5卫星磁测 把磁力仪放在人造卫星上进行的地磁测量。卫星磁测技术发展迅速，最初只是当卫星飞过地面接收站上空时，卫星才发射信息，目前已使用记忆装置，能获得整个卫星轨道上磁场数据。1958年，苏联发射了世界上第一颗测量地磁场的卫星,上面装有磁通门矢量磁力仪，由于不能准确地确定仪器的方向，所以只能得到总强度的资料。以后，苏联和美国又先后发射了几颗飞行不高的测量地磁场的卫星，这些卫星都只携带测量地磁场总强度的磁力仪，飞行高度通常是几百公里，能够准确迅速地测量地磁场总强度。1979年10月30日美国发射了一颗“地磁卫星”，它的轨道通过两极上空能够覆盖整个地球表面。卫星上除装有光泵磁力仪和磁通门矢量磁力仪外，还装有星象照相机,能较准确地确定卫星的飞行姿态,因而有可能作出较准确的地磁三分量的全球测量。通过卫星磁测，人们在很短的时间里，就能取得整个地球磁场的资料。根据卫星磁测资料，可以建立全球范围的地磁场模型，研究全球范围的磁异常，并可以研究地磁场的空间结构。第4章 地磁场测量实验地磁场对于人类生活有着非常重要应用价值，因此人们对地磁场进了多次测量，为了提高个人实验能力和创新能力，我主要设计实验对地磁场磁感应强度的水平分量B进行了测量并进行分析总结。4.1简易方法测地磁场本文介绍一种测量地磁场大小的简单方法。所用器材在一般中学实验室都有，所以在中学里也可以做。4.1.1实验的基本原理 处于地磁场中的小磁针，在未受到外界干扰的情况下，总是一端指南,另一端指北2。如果将它放入螺线管中，并且使螺线管的轴线同小磁针的南北指向平行。当螺线管中通入电流后，螺线管内产生磁场。调整螺线管中电流的方向，使螺线管内产生的磁场方向正好同地磁场的方向相反。缓慢地改变电流的大小，当螺线管中产生的磁场略大于地磁场时，这时小磁针的指向发生偏转，小磁针可以旋转到与未通电流时指向完全相反时，这是螺线管中磁场强度与地磁场强度近似相等（偏大），就可以认为螺线管中的磁场就等于地磁场的大小，粗略的计算出地磁场。利用有关公式计算出螺线管内磁场的大小，亦即求出了地磁场的大小。图4.1实验电路图4.1.2测量仪器与测量方法测量仪器： 指南针(一个)、安培表(00.6A)、开关(一个)、细缝衣针、滑线变阻器(0100，一个)、直流电源（10V）、自制螺线管（A0.12m；D0.10m；N140匝）、尺子。测量方法： 1.将指南针放在没有干扰的环境中，其一端指南，另一端指北。在螺线管的正中间插入一支缝衣针，以使指南针能放在其上。转动螺线管使其轴线与小磁针的南北指向平行，这时小磁针还是保持指向不变。2.按图(1)接好电路，并将仪器固定。用右手螺旋定则，定出螺线管的磁极，使其同地磁极相反，这样螺线管的流方向也就确定了。3.将电源电压调至最小，滑动变阻器电阻调至最大，合上开关，缓慢逐渐减小滑动变阻器电阻，会看到小磁针有缓慢的偏转，此时记录毫安表的读数I，反复测量，整理分析数据，求出平均值I。4.记录螺线管线参数圈长A、直径D、总匝数N。4.1.3数据处理及分析数据处理: 表4.1实验数据记录表测量次数12345电流（A）0.0310.0320.0300.0310.030（测量地点：西安文理学院明德楼；时间2014.5.12）平均值I=0.031A利用通电螺线管中部磁场的大小公式：B=（式4.1）3，式中B表磁场强度的大小,单位是T。数据代入得B=3.49105T，即西安的地磁场强度水平分量为3.49105T。4.2电子束磁聚焦法测量地磁场 地球具有磁性，所以在地球及近地空间存在着磁场，地磁场的强度与方向随地点而异，通常可用三个物理量来描述：(1)磁偏角A (2) 磁倾角 (3) 地磁场磁感应强度的水平分量B，电子束的纵向磁聚焦主要用于测量电子的荷质比：由于地球本身就是一个大磁体，是否可利用电子束的磁聚焦现象来测量地磁场磁感应强度的水平分量B呢？4.2.1电子束磁聚焦法的基本原理将示波管置于螺线管内，保持示波管的轴向与螺线管的轴向平行，给螺线管加上励磁电流，则在螺线管内部产生与示波管轴向平行的磁场，与此同时，在示波管的水平偏转板加上偏转电压，则在偏转板之间产生与磁场方向垂直的电场。当电子以速度vz沿轴向经过偏转板时因受到电场力的作用而获得一横向速度vx与螺线管内部的磁场的磁感应强度B垂直，而具有速度vx的电子在磁场中受到洛仑兹力的作用将作圆周运动，因此在磁场和电场的共同作用下的电子将作螺旋线运动，并最终打在荧光屏上(如图1所示)。螺旋线的半径R、周期T和螺距h分别为 ： 图4.2电子在磁场中的螺旋运动示意图 R= (式4.2) T= (式4.3) h=vzT= (式4.4) 式中的m和e为电子的质量和电荷量；B为螺线管内部轴向的磁感应强度大小。从(1)(3)式可以看出，螺旋线轨迹的半径R与vx成正比,与B成反比；周期T、螺距h与B成反比，与vx无关。也就是说,如果偏转板加上的是交流电压, 不同时刻通过共同起点(可近似选在偏转板边缘的轴线上)的电子将受到大小不同的电场力作用，其横向速度vx也各不相同,有着各自不同的螺旋线半径R，但它们却有着相同的周期T 和螺距h，因此从共同的出发点出发的电子经过一个周期后又汇聚于轴线上的另一点，这种现象就是电子束的磁聚焦现象，该点到出 发点的距离就是一个螺距4-7。如果从电子的出发点到荧光屏的距离L正好是螺距h 的整数倍，我们将在荧光屏上看到一个亮点，否则，由于具有不同横向速度的电子具有不同的螺旋线半径，但具有相同的回旋角而在荧光屏上呈现一条亮线。调节适当的励磁电流I，获得适当的磁感应强度B，可使得螺距满足： L = nh(n=1,2,3,) （式4.5）若取一次聚焦，即n=1，则螺距 h = L。此时螺线管内部的磁感应强度B可以表示为： B= (式4.6) 式中0为真空磁导率；I为螺线管的励磁电流；N为螺线管的线圈匝数；A为螺线管的长度；D为螺线管的直径；N、A、D为仪器参数。由式(5)可知当改变磁场B，使电子束聚焦后，若保持加速电压不变，改变磁场的方向，且保持B值的大小不变，电子束在屏上的聚集状态应不变，但事实上，电子束在屏上的聚焦状态会随着磁场的方向改变而发生明显的变化，这显然是由于地磁场的影响所致，因为某一地点的近地磁场可以认为是一个均匀磁场，它的大小和方向是稳定不变的，它将会叠加在螺线管内的磁场上，要使电子束在屏上的聚焦状态不随磁场方向的改变而改变，就需要改变励磁电流的大小(即改变B值的大小)以补偿地磁场的影响。将螺线管水平放置，设螺线管内的磁感应强度为BL,地球磁场Bd的磁感应强度沿螺线管轴线的分量为B，。使BL与B，方向一致，从零逐渐增加励磁电流I使荧光屏上显示的直线轨迹一面旋转一面缩短，当磁场增强到某一程度时，聚焦成一小光点，此时的螺线管磁感应强度为BL；改变螺线管电流方向，使BL与B，方向相反，从零逐渐增加励磁电流I使荧光屏上显示的直线轨迹一面旋转一面缩短，当磁场增强到某一程度时，聚焦成一小光点，此时的螺线管磁感应强度为BL，对应的励磁电流分别为I、I-，聚焦时的磁感应强度B大小为： B=BL+B，=+B， （式4.7） B=BLB，=B， （式4.8）由以上两式可得: B，=（II+） （式4.9） 螺线管的轴向与地磁场的水平方向平行，则在水平面上对应的励磁电流最大(或最小)，式(8)中的B，即为地磁场的磁感应强度的水平分量B的大小。4.2.2 测量方法测量直接在电子束实验仪上进行，它主要用于研究带电粒子在磁场中的运动规律，可完成有关电子束在电场和磁场中的偏转和聚焦等一系列实验。（1）将电子束实验仪中的螺线管调至水平，在水平面上旋转螺线管，使螺线管的轴向与地磁场的水平分量B方向平行。（2）使BL与B，方向一致，从零逐渐增加励磁电流I使荧光屏上显示的直线轨迹一面旋转一面缩短，当磁场增强到某一程度时，聚焦成一小光点，此时的螺线管磁感应强度为BL，记录此时聚焦的励磁电流的大小I+。（3）改变励磁电流的方向，从零逐渐增加励磁电流I使荧光屏上显示的直线轨迹一面旋转一面缩短，当磁场增强到某一程度时，聚焦成一小光点，记录聚焦时的励磁电流大小I-。（4）重复（2）和（3）步骤，并记录五组数据。（5）断开电流换向开关以及电子束实验仪开关，并记录螺线管的参数N、A、D。（6）整理分析数据，根据(8)式求出地磁场的磁感应强度水平分量B。4.2.3测量结果与讨论实验所用仪器参数:螺线管线圈长A0.233m；螺线管线圈直径D0.0945m；螺线管线圈总匝数N1300匝；加速电压U=900V。真空磁导率0=410-7T测量结果一次聚焦是的励磁电流的测量结果见表。表4.2实验数据记录表（测量地点：西安文理学院明德楼；时间2014.4.28）方向励磁电流强度（A）平均值（A）I+0.7960.7940.7990.7950.7960.7960.7980.796I-0.8070.8030.8070.8060.8070.8060.8070.806由实验原理可知地磁场的磁感应强度水平分量B=（II+），将测量数据代入计算出地磁场的磁感应强度水平分量B3.2510-5T。4.3用磁摆测量地磁场水平分量用尽量简单的装置演示对地磁场水平分量的测量，只需将磁铁悬起观测其简谐振动周期，便可计算地磁场水平分量。4.3.1磁摆法实验原理磁矩为pm的磁偶极子在均匀磁场B中受力矩(见图4.3，z轴垂直纸面向外) 图4.3磁矩为pm的磁偶极子在均匀磁场B中受力矩示意图 M=PmB （式4.10）MZ=pmBsinpmB （ 很小）。由转动定理：MZ=IZ=I (式4.11)所以有 +=0 (式4.12)可见简振周期 T=2 (式4.13)式中I为磁偶极子绕z轴转动惯量。将这个在磁场中摆动的磁偶极子称为磁摆，若知T、I、Pm便可求得B8-10。4.3.2实验装置与实验步骤实验装置： 将一块沿轴线磁化的圆柱形永久磁铁，用细棉线拴在中性区后悬起，便成为一磁摆。磁铁长20mm，直径20mm；用漆包线绕一螺线管，管长L=0.12m，管直径D=0.10m，N=140匝。实验步骤：首先测量磁摆放在螺线管中部时在地磁场与螺线管磁场合场作用下简谐振动周期Tl，同时测出相应电流得螺线管磁场B1，然后将磁摆悬于没有干扰的地方观测摆在地磁场水平分量作用下简振周期T0，最后算出地磁场水平分量B(由于磁摆二轴是悬线，铅垂方向，所以地磁场竖直分量对摆动无影响)。T0=2,T1=2 所以有 B=B1/（）21 （式4.14）4.3.3实验数据及分析在螺线管中Tl=42.0s/100(次)=0.420s，此时通过电流i=100mA；在地磁场中T0=90s/100(次)=0.90s。所以B1=11.2610-5T。进而求得地磁场的磁感应强度水平分量B=B1/（）21=3.1310-5T。（测量地点：西安文理学院明德楼；时间2014.5.13）第五章 实验分析根据查阅相关资料知道西安的地磁场强度水平分量理论值B0=3.23105T（1932年测定）5.1实验对比与分析 本论文主要利用了三个物理实验对西安的地磁场强度水平分量B进行测量，每个实验都存在着一定的误差，所以对其进行误差计算与误差分析是一个完整的实验不可缺少的部分11。5.1.1简易方法测地磁场 由实验测得平均值I=0.031A，利用通电螺线管中部磁场的大小公式：B=，式中B表磁场强度的大小，单位是T。 数据代入得B=3.49105T，即西安的地磁场强度水平分量为3.49105T。实验误差：=100=8.0 误差原因：周围的磁性物体对实验结果影响；长度及电流读数带来的误差；由于螺线管不标准及放置方向不完全准确带来的实验误差；小磁针指向变化小难分辩带来的误差。5.1.2电子束磁聚焦法测量地磁场由实验测量计算得（II+）=0.010A，由实验原理可知地磁场的磁感应强度水平分量B=（II+），将测量数据代入计算出地磁场的磁感应强度水平分量B3.2510-5T。实验误差：=100=0.6误差原因：周围的磁性物体对实验结果影响；仪器未能完全南北极放置带来的误差；读数误差；注意事项：由于地磁场的磁感应强度较弱大小约为510-5T，因此在测量时应注意以下几点：周围不应出现有铁磁性金属物体以避免对聚焦磁场的影响。螺线管不要长时间通以大电流，以免线圈过热。加速电压不能太高，以便正反聚焦励磁电流差异的准确测出。聚焦励磁电流的调节应从“零”或最小开始调节，尤其是换向时应将励磁电流调至最小。5.1.3用磁摆测量地磁场水平分量在螺线管中通过电流i=100mA，测得周期磁摆Tl=42.0s/100(次)=0.420s；在地磁场中测得周期磁摆T0=90s/100(次)=0.90s。所以B1=11.2610-5T。进而求得地磁场的磁感应强度水平分量B=B1/（）21=3.1310-5T。 实验误差：=100=3.1 误差原因：周围的磁性物体对实验结果影响；测量长度及电流读数带来的误差；自制螺线管不标准带来的实验误差；仪器未能完全南北极放置；近年来西安地磁场大小有所变化带来的实验误差。（本论文中涉及的三个实验测量地点：西安文理学院明德楼；时间2014.5）5.2实验总结 本论文通过三个实验的理论分析对地磁场的磁感应强度水平分量进行实际测量，第一种测量方法运用最简单的物理方法对地磁场进行测量，由于方法简单，外界影响较大，获得的实验数据误差较大，但是其中的实验思想却