地磁场水平分量测量实验的误差分析论文.doc

学科分类号(二级) 本科学生毕业论文( 设计) 题目地磁场水平分量测量实验的误差分析姓名薛强德学号 054090119 院、系物理与电子信息学院专业物理学指导教师刘燕职称(学历) 副教授 1 地磁场水平分量测量实验的误差分析摘要: 研究了地磁场水平分量的实验误差来源及减小误差的方法。在实验中, 将测量电流所用的磁电式电流表改为数字多用表,并对正切电流计进行了电磁屏蔽。整个实验分为四部分进行,主要针对周边及空间电磁影响进行分析,所得地磁场水平分量实验值更加贴近理论值,并对实验做了误差分析。关键词: 地磁场;测量;电磁屏蔽;误差分析我国宋代科学家沈括( 103 1—109 5)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。地磁场的强弱叫地磁感应强度,地磁场的磁子午线与地理子午线间的夹角叫磁偏角,地球上某处地磁场方向与地面水平方向间的夹角叫磁倾角,这三个物理量称为“地磁三要素”。但是从地球的一个地方到邻近的另一个地方,地磁要素的变化一般都十分微小[1]。目前,关于地磁场强度大小的测定, 有好多种方法,常见的有正切电流计原理、集成霍尔传感器、高斯法、光泵磁共振法和各种自制磁力计。不同的实验方法,测得同一地区的地磁场强度有一定的偏差。主要原因就是仪器的误差和外界影响。本文的目的就是研究大学基础物理实验中正切电流计原理测量地磁场水平分量实验中的误差来源和减弱误差的方法。 1 实验原理 地磁场与地磁要素地球是一个大磁体,地球本身及其周围空间存在着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场,其主要分布是一个偶极场。地心磁偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极,地磁场的南(北)极实际上是地心次偶极子的北(南)极,如图 1 所示。地心磁偶极子的磁轴N mS m与地球的旋转轴NS斜交一个角度θ 0,θ 0≈ °。所以地磁场与地理极相近但不相同,地球磁场的强度和方向随地点、时间而发生 2 变化[2]。地球表面任何一点的地磁场的磁感应强度矢量 B 具有一定的大小和方向。在地理直角坐标系中如图 2所示, O点表示测量点, x 轴指向北。即为地理子午线(经线)的方向; y 轴指向东,即为地理子午线方向; z轴垂直于地平面指向地下, xoy 代表地平面。B在 xoy 平面上的投影 B ∥称为水平分量,水平分量偏离地理真北极的角度 D称为磁偏角,也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由于地理子午线起算, 子偏角东偏为正,西偏为负。 B 偏离水平面的角度 I称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的 N极下倾为正,上仰为负。 B 的水平分量 B ∥在 x、 y 轴上的投影,分别称为北向分量 B x和东向分量 B y;B在z 轴上的投影 B z称为垂直分量。故某一地点 O的地磁场要素有:(1)地磁场总感应强度 B,( 2)磁倾角 I,( 3)磁偏角 D,( 4)水平分量 B ∥,( 5)垂直分量 B x,( 7) 东向分量 B y [2]。不难看出,他们是 B 在各个坐标体系中的坐标值,比如 B x、 B y、 B z 就是 B 在直角坐标系中的坐标值,而 B z、B ∥、D和D、B ∥、I 则分别是 B 在柱面坐标系和球面坐标系中的坐标值,这三种坐标体系是彼此独立的,在它们之间,存在着如下的变换关系: O XY Z B yB B z DI B 图1 地球磁场示意图[3] Schematic diagram of the Earth's ic field 图2 地理直角坐标系 Fig. 2 Geographic Cartesian coordinate system 3 2 2 2 2 2 2 cos sin sec cos xyz x y zz B B D B B D B B tgI B B B B B B B B I B I ????????????? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? y