实验五地磁场测定Word格式.docx
- 文档编号:17416650
- 上传时间:2022-12-01
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:85.17KB
实验五地磁场测定Word格式.docx
《实验五地磁场测定Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《实验五地磁场测定Word格式.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
对于铁、钻、镍及其合金等磁性金属,当外加磁场平行于磁体部磁化方向时,电阻几乎不随外加磁场变化;
当外加磁场偏离金属的部磁化方向时,此类金属的电阻减小,这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。
HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。
它利用通常的半导体工艺,将铁镍合金薄膜附着在硅片上,如图1所示。
薄膜的电阻率「(旳依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角「具有以下关系式
d)cos2v
(1)
其中5、分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。
当沿着铁镍合金带的
长度方向通以一定的直流电流,而垂直于电流方向施加一个外界磁场时,合金带自身的阻值会生较大的变化,利用合金带阻值这一变化,可以测量磁场大小和方向。
同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带,一条是置位与复位带,该传感器遇到强磁场感应时,将产生磁畴饱和现象,也可以用来置位或复位极性;
另一条是偏置磁场带,用于产生一个偏置磁场,补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时,磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系),使磁阻传感器输出显示线性关系。
HMC1021Z磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器,它能测量与管脚平行方向的磁
场。
传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥,非平衡电桥输出部分接集成运
算放大器,将信号放大输出。
传感器部结构如图2所示。
图2中由于适当配置的四个磁
电阻电流方向不相同,当存在外界磁场时,引起电阻值变化有增有减。
因而输出电压U°
ut可以用下式表示为
Uout=-RRUb
图1磁阻传感器的构造示意图
图2磁阻传感器的惠斯通电桥
对于一定的工作电压,如Ub=5.00V,HMC1021磁阻传感器输出电压U与外界
(4)
3/2
5
磁场的磁感应强度成正比关系,
Uout二u。
KB
(3)式中,K为传感器的灵敏度,B为待测磁感应强度。
U。
为外加磁场为零时传感
器的输出量
由于亥姆霍磁线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽围的均匀磁场区,所
以常用作弱磁场的标准磁场。
亥姆霍磁线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为
oNI8
B=
R
%为真空磁导率。
四•实验装置
测量地磁场装置如图3所示。
它主要包括底座、转轴,带角刻度的转盘、磁阻传感器
的引线、亥姆霍磁线圈、地磁场测定仪控制主机(包括数字式电压表、5V直流电源等)
五•实验容基本实验容
1•将磁阻传感器放置在亥姆霍兹线圈公共轴线中点,并使管脚和磁感应强度方向平行
即传感器的感应面与亥姆霍磁线圈轴线垂直。
用亥姆霍磁线圈产生磁场作为已知量,测量磁阻传感器的灵敏度K
2•将磁阻传感器平行固定在转盘上,调整转盘至水平(可用水准器指示)。
水平旋转转
盘,找到传感器输出电压最大方向,这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量B”的
方向。
记录此时传感器输出电压Ui后,再旋转转盘,记录传感器输出最小电压U2,由Ui-U2/2二KB//,求得当地地磁场水平分量B//。
3.将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直,并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分
量B//方向放置,只是方向转90°
。
转动调节转盘,分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角+和同时记录此最大读数Ui和u2。
由磁倾角匕=(+「2)/2计算的值。
4•由u/-u//^KB,计算地磁场磁感应强度B的值。
并计算地磁场的垂直分量
B=Bsin:
本实验须注意:
实验仪器周围的一定围不应存在铁磁金属物体,以保证测量结果
的准确性。
六•实验数据例
亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N=500匝,线圈的半径r=10cm;
真空磁导率
J0=4二10^N/A2。
亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为(二个线圈串联)
式中,B为磁感应强度单位T(特斯拉);
I为通过线圈的电流,单位A(安培)
1.复旦大学校园,楼外空旷地,测量地磁场参量。
a.测量传感器的灵敏度K
表1中,正向输出电压Ui是指励磁电流为正方向时测得的磁阻传感器产生的输出电
压,而反向U2是指励磁电流为反向时,传感器输出电压,U-U2)/2。
测正向和
反向两次,目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。
表1室外空旷地上测量传感器灵敏度
励磁电流I/mA
磁感应强度
B/10^T
U/mV
平均p/mV
正向
U1/mV
反向
U2/mV
10.0
0.4496
1.87
-1.88
1.875
20.0
0.8922
3.75
-3.77
3.760
30.0
1.3488
5.61
-5.65
5.630
40.0
1.7984
7.44
-7.49
7.465
50.0
2.2480
9.29
-9.37
9.330
60.0
2.6976
11.12
-11.23
11.175
用Casio-3600计算器进行最小二乘法拟合,得到该磁阻传感器的灵敏度
K=41.28V/T,相关系数为0.99998。
(传感器工作电压取5V,灵敏度K=41V/T,现产
品传感器采用工作电压为6V,灵敏度约50V/T)
b.测量地磁场的水平分量B//;
地磁场的磁感应强度B总;
地磁场的垂直分量B_,磁
方法:
(1)将亥姆霍兹线圈与直流电源的连接线拆去。
(2)把转盘刻度调节到角度r=0-0
(3)调节底板使磁阻传感器输出最大电压,同时调节底板上螺丝使转盘水平(用仪器配套的水准仪调节水平)。
(4)测地磁场水平分量:
测量输出电压U〃和反向转180:
测地磁场水平分量U〃,然后计算地磁场水平分量B〃=U〃/K=(U〃-U〃)/2K。
(5)将转盘垂直,此时转盘面为地磁子午面方向,转动转盘角度,测量地磁场的磁感应强度B总和磁倾角1。
测量磁倾角时须改变角度,求多次测量的平均值。
表2磁倾角1值的测量
P
43.0
43.5
44.0
44.5
45.0
46.0
U总/mV
2.02
2.03
47.0
47.5
48.0
48.5
49.0
直接测量地磁场水平分量,U//=14.1mV,
计算得地磁场水平分量磁感应强度B//=0.34110‘T,
地磁场『总=20.3mV,计算得地磁场磁感应强度B总=0.49110一4T,磁倾角
-_46'
;
地磁场垂直分量磁感应强度,三=B总Sin-=0.49110^Sin46°
=0.34510*T,
最新地区地磁场水平分量为B〃=0.33110*T,磁倾角为「=46:
误差小于3%
2.复旦大学物理楼三楼311室,测量地磁场参量
表3磁阻传感器的定标
励磁电流
I/mA
磁感应强度
平均
U1/mV
U2/mV
2.25
-2.38
2.315
4.52
-4.48
4.500
6.83
-6.77
6.800
9.06
-8.98
9.020
11.30
-11.13
11.215
13.52
-13.28
13.400
用Casio-3600计算器对V-B直线拟合得:
K=49.37V/T,相关系数为0.99998
表4地磁场测量结果
电压
1
3
结果
序号
U总
U!
/mV
0.95
U总卜
B=
-3.41
-3.42
2.18mV
0.441"
0,T
U
0.08
U//h
-2.82
1.45mV
0.294"
0*T
用本仪器测量地磁场水平分量与1985年用正切电流计测量复旦大学物理楼三楼地
磁场水平分量的结果B〃=0.29110*TT相当一致,这间接证明本仪器测量结果是准确的。
关于正切电流计测量地磁场水平分量的实验方法和测量结果,请见贾玉润等主编,
大学物理实验,复旦大学,1987:
256-258,结果在258页[例]中列出。
表5不同位置及不同结构大楼地磁场水平分量测量结果
测量位置
校园操场空地
物理楼三楼
复旦科技园区2号楼
五楼试制组
金属屏蔽情况
水泥地面无金属
1959年建造
地顶为钢筋水泥,墙为泥砖
2000年建造
全钢筋水泥结构
测得地磁场水平分量B//
0.341X10"
0.294X10^T
0.268X10午
磁倾角B
46.0“
46.0°
六.实验注意事项
1•测量地磁场水平分量,须将转盘调节至水平;
测量地磁场U总和磁倾角1时,须将
转盘面处于地磁子午面方向。
2.测量磁倾角应记录不同1时,传感器输出电压U总,应取10组]值,求其平均值。
这是因为测量时,偏差V,U总二U总Cos1'
0.998U总变化很小,偏差4’,U总二U总Cos4、0.998U总,所以在偏差仁至4诩U总变化极小,实验时应测出U总变化很小1角的围,然后求得平均值丁。
七.思考题
1.磁阻传感器和霍耳传感器在工作原理和使用方法方面各有什么特点和区别?
2.如果在测量地磁场时,在磁阻传感器周围较近处,放一个铁钉,对测量结果将产生什么影响?
3.为何坡莫合金磁阻传感器遇到较强磁场时,其灵敏度会降低?
用什么方法来恢复其原来的灵敏度?
八.参考资料
1.贾玉润、王公治、凌偑玲主编。
大学物理实验,复旦大学,1987:
492-493
2.鲁绍曾、现代计量学概论。
,中国计量,1987:
3.黄一菲、神、吴亮、陆申龙,玻莫合金磁阻传感器的特性研究和应用、物理实验。
第22卷第4期,2002,4:
45-48
4.Honeywell公司,固态传感器(磁阻传感器部分)说明书,2001
5.元华、陆申龙主编,基础物理实验,:
高等教育,2003
6.黄德星。
磁敏感器件及其应用[M]。
:
科学,1987
7.里夫、王秀琴等编著,常用物理常数手册、人民、1983、10:
157-158
附录1:
地磁场
地球本身具有磁性,所以地球和近地空间之间存在着磁场,叫做地磁场。
地磁场的强度和方向随地点(甚至随时间)而异。
地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近,彼此并不重合,如图5所示,而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。
地磁轴与地球自转轴并不重合,有110交角。
在一个不太大的围,地磁场基本上是均匀的,可用三个参量来表示地磁场的方向和
大小(如图6所示):
(1)磁偏角[,地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面(图6中B〃与Z构成的平面,称地磁子午面),与地理子午面(图6中X、Z构成的平面)之间的夹角。
磁南极地理北极
X
⑵磁倾角一:
,磁场强度矢量B与水平面(即图6的矢量B和OX与0丫构成平面的夹角)
之间的夹角。
(3)水平分量B//,地磁场矢量B在水平面上的投影。
测量地磁场的这三个参量,就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。
当然这
三个参量的数值随时间不断地在改变,但这一变化极其缓慢,极为微弱。
附录2:
我国一些城市的地磁参量(地磁要素)
地名
地理位置
磁倾角
D(偏西)
磁倾角1
水平强B//
(10^T)
测定
年份
北纬
东经
47022'
123059'
7034'
64027'
0.242
1916
43051'
126036'
7030'
60020'
0.266
41o50'
123028'
6049'
58043'
0.277
39056'
116020'
4048'
57023'
0.289
1936
天津
39005'
.9
117011'
4004'
56021'
0.293
37o51'
112033'
3018'
55011'
0.301
1932
36o39'
.5
117001'
3036'
53006'
0.308
1915
36003'
.4
103048'
1015'
53024'
0.312
34o45'
113043'
0018'
50043'
0.320
34016'
108057'
3002'
50029'
0.323
32003'
.8
118048'
1042'
46043'
0.331
1922
31011'
121026'
3013'
45025'
0.333
30038'
104003'
0058'
45006'
0.346
30037'
114020'
2023'
44034'
0.343
30032'
117002'
44027'
0.341
1911
30016'
120008'
2059'
44005'
0.337
1917
28042'
115051'
1051'
41049'
0.349
28012'
112053'
0050'
41011'
0.352
1907
26002'
.2
119011'
1043'
27028'
0.355
25017'
.7
110012'
0005'
36013'
0.366
25004'
102042'
0004'
35019'
0.372
23006'
.1
113028'
0047'
31041'
0.375
复旦天欣科教仪器
FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪
装箱清单
您购买的产品与装箱清单中是否符合,请验收。
日期:
年月日
名称
数量
备注
1、FD-HMC-2主机
1台
含电流源和数字电压表
2、实验装置架
1套
含磁阻传感器和亥姆霍兹线
圈
3、电源线
1根
4、橡焦叉头连接线
2根
红色
5、橡焦叉头连接线
黑色
6、水平仪
1只
7、仪器使用说明书
1份
8合格证
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 实验 地磁场 测定