磁场分布测量实验讲义

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1、磁场分布测量实验讲义沈阳城市大学物理教学中心10用集成霍尔元件测定载流圆线圈与亥姆霍兹线圈磁场在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量,测量磁场的方法有不少,如冲击电流计法、霍耳效应法、核磁共振法、天平法、电磁感应法等等,本实验介绍霍尔效应法测磁场的方法,它具有测量原理简单,测量方法简便及测试灵敏度较高等优点。【实验目的】1.学习测量载流圆线圈的磁场分布。2.了解亥姆霍兹线圈磁场分布的特点。3.验证矢量迭加原理。【实验原理】1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场(1)载流圆线圈磁场根据毕奥-萨伐尔定律一半

2、径为,通以直流电流的圆线圈,其轴线上离圆线圈中心距离为米处的磁感应强度的表达式为:(1)式中为圆线圈的匝数,为轴上某一点到圆心的距离,磁场的分布图如图1所示,是一条单峰的关于轴对称的曲线。(2)亥姆霍兹线圈两个完全相同的圆线圈彼此平行且共轴,通以同方向电流,线圈间距等于线圈半径(即)时,从磁感应强度分布曲线可以看出,(理论计算也可以证明):两线圈合磁场在中心轴线上(两线圈圆心连线)附近较大范围内是均匀的,这样的一对线圈称为亥姆霍兹线圈,如图2所示。从分布曲线可以看出,在两线圈中心连线一段,出现一个平台

3、,这说明该处是匀强磁场。10根据霍尔效应可以知道,当霍尔探头放入磁场中时,由于运动电荷受到洛伦兹力作用,电流方向会发生偏离,在某两个端面之间产生的电势差,通过电势差的大小就可以测量磁场的大小。当亥姆霍兹线圈两线圈通有方向一致的电流时,两线圈形成的磁场方向也一致,两线圈之间就形成均匀磁场,霍尔探头在该区域运动时其测量的数值几乎不变。当然两线圈通上相反方向电流,则其间的磁场可以互相抵消为零。【实验仪器】型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪。一.三维线圈磁场实验信号源仪器背部为交流电源插座和电源开关,以及配三维亥姆

4、霍兹线圈磁场实验仪测试架的专用插座。仪器主机见图41.励磁电流输出:直流恒流输出连续可调,接到测试架的励磁线圈,提供实验用的励磁电流。励磁电流输出端连接到测试架线圈时,可以选择接单个线圈或双线圈。接双线圈时,将两线圈串联,即一个线圈的黑接线柱与另一线圈的红接线柱相连。另外两端子接至实验仪的端。2.由集成霍尔元件构成的微特斯拉计:每台仪器在出厂时,工作电流及集成霍尔元件输出信号放大器都已配套调节好,只要用专用四芯连接线把实验仪与测试架连接。测量磁感应强度可直接读数。使用前,在仪器位置方向确定后,在励磁电

5、流为零时,用调零旋钮调零。以消除地磁场及实验环境周围的杂散磁场对实验的影响。(提醒:集成霍尔元件工作电流出厂时已配对调好,如果把实验仪与测试架互换,将造成测试数据不准,甚至出现无法调零的情况,这时只要注意按仪器上的编号更正即可)。3.换向开关:用于改变磁场线圈励磁电流的方向。10二.三维亥姆霍兹线圈磁场测试架(本测试架的特点是实现三维可靠调节)1.亥姆霍兹线圈:如图5所示,两个圆线圈(1)、(2)安装于底板(3)上,其中圆线圈(1)为固定线圈,圆线圈(2)可以沿底板移动,从而调节两线圈的间距,移动范围

6、为:,操作时,只需松开圆线圈(2)底座上的紧固螺钉,就可以用双手均匀地移动圆线圈(2),从而改变两个圆线圈的间距,实验架上设有等位置标志,移到所需的位置后,再拧紧紧固螺钉。励磁电流通过圆线圈后面的插孔接入,可以做单个线圈或双线圈的磁场分布。2.三维可移动装置:见图5,滑块(10)可以沿导轨(5)左右移动,配合铜杆(8)的位置调节,可以改变集成霍尔元件(4)方向的位置坐标,移动距离:。移动时,用力要轻,速度不可过快,如果滑块移动时阻力太大或太松,则应适当调节滑块上的螺钉(9)的松紧度;左右(即方向)移动

7、不能影响前后方向即方向位置;必要时,可以锁紧导轨(5)右端的紧定螺钉(13),防止方向位置发生改变。沿方向轻推滑块(10),让导轨(5)沿导轨(6)均匀移动,可使集成霍尔元件方向的位置坐标变化,移动距离:;这时,导轨(5)右端的紧定螺钉(13)应处于松开状态。注意:这时不可左右方向用力,以免改变集成霍尔元件方向的位置。松开紧固螺钉(12),铜杆(8)可以沿导轨(7)上下移动,移到所需的位置后,再拧紧紧固螺钉(12),用于改变霍尔元件方向的位置坐标,移动距离:。在进行方向位置移动时,一般将方向标尺置于0

8、点,这样保证集成霍尔元件正处于线圈中心轴线上。实验装置在方向均配有位置标尺,10是三维磁场测量系统,可以方便地测量空间磁场的三维坐标。3.集成霍尔元件:装置采用优质集成霍尔元件,特点是灵敏度高,温度漂移小,作为微特斯拉计的传感器是非常好的选择。可以对三维磁场分布进行准确测量。集成霍尔元件(4)安装于铜管(8)的左前端,导线从铜管中引出,连接到测试架后面板上的专用插座。改变圆线圈(2)的位置进行磁场分布测量实验时,为了读数方便,应该改变铜管(8)的位置。松

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