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亥姆霍兹线圈实验原理

来源:http://www.lh-ky.com/news/20.html  发布时间 : 2018-06-22

亥姆霍兹线圈实验原理

1. 为什么在测量直流磁场时,必须考虑地球磁场对被测磁场的影响。 
2. 载流圆线圈轴线上磁场的分布规律如何?
3.亥姆霍兹线圈是怎样组成的?其基本条件有哪些?它的磁场分布特点又怎样?改变两圆线圈间距后,线圈轴线上的磁场分布情况如何?
4.霍尔元件放入磁场时, 不同方向上特斯拉计指示值不同,哪个方向大? 5.试分析载流圆线圈磁场分布的理论值与实验值的误差产生的原因?
实验原理
1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场
(1) 载流圆线圈磁场一半径为R,通以电流I的圆线圈,轴线上磁场的公式为
式中 为圆线圈的匝数, 为轴上某一点到圆心O的距离。  它的磁场分布图如图1-1所示。
(2)亥姆霍兹线圈
所谓亥姆霍兹线圈为两个相同线圈彼此平行且共轴,使线圈上通以同方向电流I,理论计算证明:线圈间距a等于线圈半径R时,两线圈合磁场在轴上(两线圈圆心连线)附近较大范围内是均匀的,如图1-2所示。
2.霍尔效应法测磁场
(1)霍尔效应法测量原理
将通有电流I的导体置于磁场中,则在垂直于电流I和磁场B方向上将产生一个附加电位差,这一现象是霍尔于1879年首先发现,故称霍尔效应。电位差 称为霍尔电压。
如图3-1所示N型半导体,若在MN两端加上电压U,则有电流I沿X轴方向流动(有速度为V运动的电子),此时在Z轴方向加以强度为B的磁场后,运动着的电子受洛伦兹力FB的作用而偏移、聚集在S平面;同时随着电子的向S平面(下平面)偏移和聚集,在P平面(上平面)出现等量的正电荷,结果在上下平面之间形成一个电场 (此电场称之为霍尔电场)。这个电场反过来阻止电子继续向下偏移。当电子受到的洛伦兹力和霍尔电场的反作用力这二种达到平衡时,就不能向下偏移。此时在上下平面(S、P平面)间形成一个稳定的电压 (霍尔电压)。 

(2)霍尔系数、霍尔灵敏度、霍尔电压

设材料的长度为l,宽为b,厚为d,载流子浓度为n,载流子速度v,则与通过材料的电流I有如下关系:  

  I=nevbd

  霍尔电压     UH=IB/ned=RHIB/d=KHIB

式中霍尔系数RH=1/ne,单位为m3/c;霍尔灵敏度KH=RH/d,单位为mV/mA

由此可见,使I为常数时,有UH= KHIB =k0B,通过测量霍尔电压UH,就可计算出未知磁场强度B。

本实验使用的仪器用集成霍尔元件,已经与显示模块联调,直接显示磁场强度。
实验仪器

亥姆霍兹实验仪由二部分组成。它们分别为励磁线圈架部分磁场测量仪器部分

亥姆霍兹线圈架:

   二个励磁线圈:线圈有效半径    105mm   线圈匝数500匝   二  线圈中心间距 105mm

    测量磁场传感器: 4501A使用霍尔元件测量磁场。

   移  动  装 置:横向可移动距离150mm,纵向可移动距离50mm

              距离分辨力0.5mm
实验内容 

1. 测量圆电流线圈轴线上磁场的分布
接好电路。调节磁场实验仪的输出功率,使励磁电流有效值为I=200mA,以圆电流线圈中心为坐标原点,每隔10.0 mm测一 个Umax值,测量过程中注意保持励磁电流值不变,记录数据并作出磁场分布曲线图。

2 .测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布
把磁场实验仪的两组线圈串联起来(注意极性不要接反),接到磁场测试仪的输出端钮。调节磁场测试仪的输出功率,使励磁电流有效值仍为I=200mA。以两个圆线圈轴线上的中心点为坐标原点,每隔10.0mm测一个Umax 值。记录数据并作出磁场分布曲线图。

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