利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的装置

1.本实用新型涉及地磁场水平分量技术领域，具体涉及一种利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的装置。


背景技术：

2.地磁场与人类的生活紧密相连，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等领域均有重要的用途，因此地磁场的测量意义重大。迄今常用的地磁场测量方法主要有霍尔效应法、磁聚焦法、磁阻效应法以及磁共振法等。这些地磁场测量方法都具有一定的复杂性，或者对相关测量装置的要求较高，测量成本较高，测量过程也很容易受到附近环境中其他磁场或铁磁质的影响，测量误差大，因此难以在普通教学实验中进行推广。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种测量简单易行、操作性较强的利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的装置。
4.为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
5.一种利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的装置，包括底座、固设在底座上的立柱、固设在立柱顶部的支架以及通过丝线悬挂在支架下方p点的条形磁铁；所述底座的前侧还设置有弧形的导轨，导轨上滑动设置有滑块，滑块的顶部竖直固设有线圈支杆，线圈支杆的顶部设置有卡爪，卡爪中设置有方形的载流线圈；所述条形磁铁的横截面为长方形；所述底座、立柱、支架、导轨、滑块、线圈支杆和卡爪均为塑料材质或者木质。
6.进一步的，所述导轨的两端分别通过连杆与底座固定连接；所述导轨的底部和底座的底部位于同一平面上，并且导轨位于以丝线为中心的圆上。
7.进一步的，所述线圈支杆为长度可调的伸缩杆。
8.进一步的，所述卡爪转动设置在线圈支杆的顶部。
9.进一步的，所述立柱为圆柱形，立柱上且与p点相平齐的位置转动设置有转动环，转动环的外壁上固设有手机支杆，并且手机支杆的外端头部固设有手机吸盘；所述转动环和手机支杆均为塑料材质或者木质。
10.进一步的，所述手机支杆为长度可调的伸缩杆。
11.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
12.本实用新型的测量装置简单易行，操作性较强，非常适用于普通物理实验或者设计性物理实验，有助于加深学生对于地磁场和简谐振动的认识，激发学生的实验兴趣和实验积极性，提高学生的动手能力与创新思维。此外，借助智能手机中磁传感器功能完成简谐振动周期的测量，不仅提高了实验精度，也可充分调动学生的实验积极性，促进智能手机在实验课程教学中的多元化应用；利用作图法处理数据还有助于学生将问题具象化，提高软件处理数据的能力。
13.本实用新型首先借助内置有磁传感器的智能手机测量地磁场与载流线圈组合磁
场中的磁铁简谐振动的周期，然后采用曲线拟合完成地磁场水平分量的测量和计算。该测量方法操作性较强且精确度较高，测量结果与中国科学院地质与地球物理研究所网站的实时观测数据相比，误差在2％以内。
附图说明
14.图1是本实用新型的结构示意图；
15.图2是本实用新型的侧视图；
16.图3是本实用新型测量方法示意图；
17.图4是不同电流下phyphox软件x方向磁场变化测量结果图；
18.图5是数据拟合结果图；
19.图6是中国科学院地质与地球物理研究所的实时观测数据图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
21.如图1、2所示，本实用新型提供了一种利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的装置，包括底座1、固设在底座1上的立柱2、固设在立柱2顶部的支架3以及通过丝线4悬挂在支架3下方p点的条形磁铁5；底座1的前侧还设置有弧形的导轨6，导轨6上滑动设置有滑块7，滑块7的顶部竖直固设有线圈支杆8，线圈支杆8为长度可调的伸缩杆。并且线圈支杆8的顶部设置有卡爪9，卡爪9转动设置在线圈支杆8的顶部，卡爪9中设置有方形的载流线圈10；条形磁铁5的横截面为长方形；底座1、立柱2、支架3、导轨6、滑块7、线圈支杆8和卡爪9均为塑料材质或者木质。
22.导轨6的两端分别通过连杆11与底座1固定连接；导轨6的底部和底座1的底部位于同一平面上，并且导轨6位于以丝线4为中心的圆上，该圆的半径为x。沿着导轨6可以调整载流线圈10的方向，使载流线圈产生的磁场方向与地磁场水平分量的方向相同，同时调整线圈支杆8的长度可使载流线圈10的中心轴线经过p点。
23.立柱2为圆柱形，立柱2上且与p点相平齐的位置转动设置有转动环12，转动环12的外壁上固设有手机支杆13，并且手机支杆13为长度可调的伸缩杆。手机支杆13的外端头部固设有手机吸盘14；所述转动环12和手机支杆13均为塑料材质或者木质。将安装有phyphox软件的智能手机中吸附在手机吸盘14上，调整转动环12以使手机支杆13转动的合适位置，以测量得到当载流线圈中的通电电流为i时p点的磁感应强度曲线。
24.基于上述装置利用智能手机辅助测量地磁场水平分量的测量方法包括以下步骤：
25.s1.如图3所示，将横截面为长方形的条形钕铁硼永磁铁悬挂在木质支架下方的p点，并在与p点水平相距x的位置放置方形的载流线圈；然后调整载流线圈的方向，使载流线圈产生的磁场方向与地磁场水平分量的方向相同，同时使p点处在载流线圈的中心轴线上。
26.s2.另取一块磁铁靠近安装有phyphox软件的智能手机，并变换磁铁与智能手机的相对位置，找到phyphox的磁力计偏转角度最大的地方，即为磁力计在该智能手机中的大概位置。
27.s3.利用智能手机中的phyphox软件测量得到当载流线圈中的通电电流为i时p点的磁感应强度曲线，并且测量时使得磁力计位于载流线圈的中心轴线上，然后由测得的磁
感应强度曲线得到磁铁的摆动周期t；变化通电电流i，得到多个摆动周期t。
28.s4.以为横轴、i为纵轴作图，并采用origin软件进行数据拟合，由拟合后的曲线斜率和截距即可得出磁铁的磁矩μ和地磁场水平分量b
∥
。
29.本实用新型测量方法的工作原理是：
30.如图4所示，当线圈中无电流时，若磁铁保持静止状态，此时磁铁的磁化方向和地磁子午面取向一致。若将磁铁转动微小角度，由于地磁场产生的恢复力矩，磁铁将会发生小角度摆动。
31.磁场产生的恢复力矩为：j＝
‑
μbsinθ。
32.其中，μ为磁铁的磁矩，b为p点的磁感应强度。因为磁铁的摆动角度θ较小，所以有sinθ≈θ，因此有j＝
‑
μbθ。
33.由转动定律可知，
34.其中，i为磁铁的转动惯量，β为角加速度。
35.因此，
36.磁铁的摆动角度θ符合简谐振动规律，该振动的角频率
37.由于磁铁为规则的条形体，当在水平方向转动时，其转动惯量为：
[0038][0039]
其中，l和w为磁铁的长度和宽度，m为磁铁的质量，则磁铁的摆动周期t与p点的磁感应强度b的关系为：
[0040][0041]
其中，l和w为磁铁的长度和宽度，m为磁铁的质量，μ为磁铁的磁矩。
[0042]
若线圈不通电，此p点的磁感应强度b即地磁场的水平分量，用b
∥
表示；若线圈通电，则此处b为地磁场水平分量b
∥
与线圈在p点产生的磁感应强度b
c
之和。
[0043]
通过测量不同外加磁场(即在线圈中通以不同大小的电流i)情况下磁铁的摆动周期t，再采用作图法即可测定磁铁的磁矩及地磁场水平分量的数值。原理如下：当线圈的通电电流为i时，处于方形线圈中心轴线上距离为x位置的p点磁感应强度为：
[0044]
[0045]
将其代入(1)式，得出磁铁的摆动周期为：
[0046][0047]
该式变形，可得通电电流i与磁铁摆动周期t的关系为：
[0048][0049]
其中，系数k和转动惯量i可通过测量载流线圈和条形磁铁的相关参数求出。因此以为横轴，i为纵轴作图，则曲线斜率为截距为因此由曲线斜率和截距即可得出磁铁的磁矩μ和地磁场水平分量b
∥
。
[0050]
本实用新型中的智能手机上安装有phyphox软件，利用phyphox软件内置的magnetometer(磁力计)功能测量磁铁摆动时周围磁场磁感应强度的变化，以此得到磁铁在磁场中发生简谐振动时的摆动周期t。
[0051]
首先测试智能手机中磁传感器(磁力计)的位置：打开手机“指南针”功能，另取一块磁铁缓慢靠近手机，此时“指南针”会受到影响发生偏转，变换该磁铁与手机的相对位置，观察并寻找偏转角度最大的地方，即磁场传感器在智能手机中的大概位置，将该位置标记出来。
[0052]
然后合适放置智能手机使磁传感器通过通电线圈的中心轴线，phyphox软件可以得出xyz三个方向的磁感应强度的变化；其中以p点为坐标原点o，载流线圈的中心轴线为x轴，悬挂磁铁的丝线为y轴，z轴满足右手法则。由于磁铁在xoy平面发生摆动幅度较大，z方向摆动幅度较小，因此可采用x和y任意方向磁感应强度的变化曲线得出磁铁的摆动周期。
[0053]
利用游标卡尺及电子天平测得的条形磁铁的基本参数为：
[0054]
l＝30.04mm，w＝10.01mm，m＝8.800g
[0055]
由此计算得到磁铁的转动惯量为：
[0056][0057]
由实验过程中其他参量x＝12cm，a＝15cm，n＝50，可计算得出：
[0058][0059]
利用智能手机上的phyphox软件测量当通电电流i为0.1～0.5a范围中，通电电流i每变化0.05a时磁铁周围磁感应强度的变化，并且为了保证测量结果的准确性，每次均测量20多个周期，测量结果如图4所示。从图4上明显可以看出磁铁周围的磁场由于磁铁的摆动呈现稳定的周期性变化规律。
[0060]
由图4得到的通电电流i对应的磁铁摆动周期t以及进一步计算得出的见表1所示。
[0061]
表1磁场摆动周期及相关参数计算结果
[0062][0063]
以为横轴，电流i为纵轴，将表1中的数据作图，并采用origin软件进行数据拟合，如图5所示，得到曲线的斜率和截距分别为：
[0064]
(1)
[0065]
代入i和k值，即可计算出条形磁铁的磁矩为：
[0066]
μ＝1.0399a
·
m2[0067]
(2)
[0068]
代入k值，即可计算出地磁场的水平分量b
∥
为：
[0069]
b
∥
＝2.8718
×
10
‑5t
[0070]
如图6所示为中国科学院地质与地球物理研究所网站实验当日的实时观测数据，与实验地点天津相近纬度的北京地区地磁场水平分量的范围在2.8161～2.8201
×
10
‑5t之间。本发明所测试结果与该数据在一个数量级，经计算，相对误差仅为1.83～1.98％。另外，与目前实验室应用较为广泛的光泵磁共振测地磁场水平分量结果相比，侯清润等人所测得北京地区的地球磁场水平分量为2.3
×
10
‑5t，吴奕初等人测得武汉地区数值为2.8
×
10
‑5t，张玉霞等人测得广州地区数值为3.39
×
10
‑5t，表明本发明方法测量的地磁场水平分量数值具有较高的准确性和可重复性。