圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場

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1、- 圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場 磁場測量是磁測量中最根本的容，最常用的測量方法有三種；感應(yīng)法、核磁共振法和霍爾效應(yīng)法。本實驗要求學(xué)生用霍爾效應(yīng)法測量載流亥姆霍茲線圈的磁感應(yīng)強度沿軸線的分布。 〔實驗?zāi)康摹? 1.掌握弱磁場測量原理及如何用集成霍爾傳感器測量磁場的方法。 2.驗證磁場迭加原理。 3.學(xué)習亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻磁場的特性。 〔實驗原理〕 一、圓線圈 載流圓線圈在軸線〔通過圓心并與線圈平面垂直的直線〕上磁場情況如圖所示。 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，軸線上*點的磁感應(yīng)強度為 〔〕 式中I為通過線圈的電流強度，

2、N為線圈匝數(shù)，線圈平均半徑，為圓心到該點的距離，為真空磁導(dǎo)率。而圓心處的磁感應(yīng)強度為 〔〕 軸線外的磁場分布情況較復(fù)雜，這里簡單。 二、亥姆霍茲線圈 亥姆霍茲線圈是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈，每一線圈N匝，兩線圈的電流方向一致，大小一樣，線圈之間距離d正好等于圓形線圈的平均半徑。其軸線上磁場分布情況如圖所示，虛線為單線圈在軸線上的磁場分布情況。這種線圈的特點是能在其公共軸線中點附近產(chǎn)生較廣的均勻磁場區(qū)，故在生產(chǎn)和科研中有較大的實用價值，也常用于弱磁場的計量標準。 設(shè)為亥姆霍茲線圈中軸線上*點離中心點O處的距離，則亥姆霍茲線圈軸線上任一點的磁感應(yīng)強度大小為

3、 〔〕 在亥姆霍茲線圈軸線上中心O處磁感應(yīng)強度大小為 〔〕 三、雙線圈 假設(shè)線圈間距d不等于。設(shè)為雙線圈中軸線上*點離中心點O處的距離，則雙線圈軸線上任一點的磁感應(yīng)強度大小為 〔〕 四、霍爾傳感器 1.霍爾傳感器 近年來，在科研和工業(yè)中，集成霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用于磁場測量，它測量靈敏度高，體積小，易于在磁場中移動和定位。本實驗用SS95A型集成霍爾傳感器測量載流圓線圈磁場分布，其工作原理也基于霍爾效應(yīng)。 本實驗采用的SS95A型集成霍爾傳感器由霍爾元件、放大器和薄膜電阻剩余電壓補償器組成，測量時輸出信號大，剩余電壓的影響已

4、被消除。一般的霍爾元件有四根引線，兩根為輸入霍爾元件電流的“電流輸入端〞；另兩根為霍爾元件的“霍爾電壓輸出端〞。本實驗在設(shè)計安裝時，傳感器、圓線圈的工作回路相互獨立，并且傳感器的工作電流已設(shè)定為標準工作電流〔定值〕。即KHI＝K〔常數(shù)〕 則有：，其中K為常數(shù)。這樣UH與B建立簡單的正比對應(yīng)關(guān)系，由UH值可得出B的示值。 〔實驗儀器〕 FD-HM-Ⅱ型磁場測定儀，高靈敏度毫特計，數(shù)字式直流穩(wěn)流電源。 實驗裝置見圖3，F(xiàn)D-HM-Ⅱ型磁場測定儀由圓線圈和亥姆霍茲線圈實驗平臺〔包括兩個圓線圈、固定夾、不銹鋼直尺、鋁尺〕、高靈敏度毫特計和數(shù)字式直流穩(wěn)流電源等組成。 圖3 FD-HM-Ⅱ型磁

5、場測定儀 1、毫特斯拉計 2、電流表 3、直流電流源 4、電流調(diào)節(jié)旋鈕 5、調(diào)零旋鈕 6、傳感器插頭 7、固定架 8、霍爾傳感器 9、**石 10、線圈 A、B、C、D為接線柱 1.實驗平臺 兩個線圈各500匝，圓線圈的徑19.00cm、外徑21.00cm、平均半徑=10.00cm.。實驗平臺的臺面應(yīng)在兩個對稱圓線圈軸線上〔臺面中心橫刻線與兩個對稱圓線圈軸線重合〕，臺面上有相間1.00cm的均勻網(wǎng)格線。 2.高靈敏度毫特計 它采用兩個參數(shù)一樣的SS95A型集成霍爾傳感器，配對組成探測器，經(jīng)信號放

6、大后，用三位半數(shù)字電壓表測量探測器輸出信號。該儀器量程0—2.000mT，分辨率為1 3.數(shù)字式直流穩(wěn)流電源 它由直流穩(wěn)流電源、三位半數(shù)字式電流表組成。當兩線圈串接時，電源輸出電流為50-200mA連續(xù)可調(diào)；當兩線圈并接時，電源輸出電流為50-400mA連續(xù)可調(diào)。數(shù)字式電流表顯示輸出電流時應(yīng)注意： (1)開機后，應(yīng)至少預(yù)熱10分鐘，才進展實驗。 (2)每測量一點磁感應(yīng)強度值，換另一位置測量時，應(yīng)斷開線圈電路，在電流為零時調(diào)零，然后接通線圈電路，進展測量和讀數(shù)，調(diào)零的作用是抵消地磁場的影響及對其它不穩(wěn)定因素的補償。 〔實驗容〕 一、測量前準備 連接電路按圖3，接通電源，開機預(yù)熱10

7、分鐘以上。用鋁尺和鋼板尺調(diào)整兩線圈位置，使兩線圈共軸且軸線與臺面中心橫刻線重合，兩線圈距離為R=10.00cm(線圈半徑)，即組成一個亥姆霍茲線圈。 二、單線圈軸線上各點磁感應(yīng)強度的測量 1.單線圈a軸線上各點的磁感應(yīng)強度 按圖接線〔直流穩(wěn)流電源中數(shù)字電流表已串接在電源的一個輸出端〕，只給單線圈a通電，旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)旋紐，令電流I為100mA。取臺面中心為坐標原點O，通過O的橫刻線為O*軸。把傳感器探頭從一側(cè)沿O*軸移動，每移動1.00cm測一磁感應(yīng)強度，測出一系列與坐標*對應(yīng)的磁感應(yīng)強度，數(shù)據(jù)填入表格中。測量區(qū)域為-10cm～+10cm。 表1 單線圈a軸線上各點的磁感應(yīng)強度Ba

8、*〔cm〕 –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 Ba〔mT〕 *〔cm〕 –3 –2 –1 0 1 2 3 Ba〔mT〕 *〔cm〕 4 5 6 7 8 9 10 Ba〔mT〕 實驗中，應(yīng)注意毫特計探頭沿線圈軸線移動，每測量一個數(shù)據(jù)，必須先在直流電流輸出電路斷開時〔I=0〕調(diào)零后，才測量和記錄數(shù)據(jù)。 2.單線圈b軸線上各點的磁感應(yīng)強度 只給單線圈b通電，旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)旋紐，令電流I為100mA。以上述同樣的測量方法，測出一系列*—數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)填入

9、表格中。測量區(qū)域為-10cm—+10cm。 表2 單線圈b軸線上各點的磁感應(yīng)強度Bb *〔cm〕 –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 Bb〔mT〕 *〔cm〕 –3 –2 –1 0 1 2 3 Bb〔mT〕 *〔cm〕 4 5 6 7 8 9 10 Bb〔mT〕 3.在軸線上*點轉(zhuǎn)動毫特計探頭，觀察一下該點磁感應(yīng)強度的方向：轉(zhuǎn)動探頭觀測毫特計的讀數(shù)值，讀數(shù)最大時傳感器法線方向，即是該點磁感應(yīng)強度方向。 三、雙線圈軸線上各點磁感應(yīng)強度測

10、量 1.令兩線圈串連，流過的電流方向一致〔紅黑接線柱交織相接〕，組成亥姆霍茲線圈。然后，旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)旋紐，在同樣電流I=100mA條件下，測軸線上各點的磁感應(yīng)強度值測量方法同上。得出的一系列*－數(shù)據(jù)填入表格中。測量區(qū)域為-10cm—+10cm。用直角坐標紙，在同一坐標系作－*、－*、－*、+－*四條曲線,考察－*與+－*曲線，驗證磁場疊加原理. 表3測雙線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度值 *〔cm〕 –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 BR〔mT〕 *〔cm〕 –3 –2 –1 0 1 2 3 BR〔mT〕

11、 *〔cm〕 4 5 6 7 8 9 10 BR〔mT〕 3.用直角坐標紙，在坐標系作－*、－*、－*三條曲線，證明磁場疊加原理。 〔考前須知〕 1.注意霍爾傳感器的放置方法。由于磁感應(yīng)強度是矢量，測量過程中，傳感器沿軸線放置時，毫特計可能指示負值，這里為了便于比擬、驗證疊加原理，統(tǒng)一取其絕對值。 2.在調(diào)節(jié)兩線圈時，應(yīng)注意兩線圈是否共軸、軸線是否與臺面中心橫刻線重合。為了便于判斷，這里給出判斷依據(jù)〔僅供參考〕： 〔1〕單線圈 B值應(yīng)關(guān)于單線圈的中心點〔圓心〕左右對稱；假設(shè)以亥姆霍茲線圈軸線的中心點為坐標原點，則點 B5=

12、0.314 mT B15=0.111 mT B0=0.225 mT 〔2〕雙線圈 B值應(yīng)關(guān)于雙線圈的中心點左右對稱；假設(shè)以雙線圈軸線的中心點為坐標原點，則有 雙線圈距離為R時： B0=0.450 mT B10=0.278 mT B5=0.425 mT 雙線圈距離為R/2時： B0=0.573mTB10=0.237 mT B5=0.448 mT 雙線圈距離為2R時： B0=0.222 mT B10=0.342 mT B5=0.278 mT 實測數(shù)據(jù)上下不應(yīng)超出上述值的3％〔為儀器允許誤差〕。 3.兩線圈采用串接或并接與電源相連時，必須注意磁場的方向。如果接錯線有可能使雙線圈中間軸線上的磁場為零或極小。 4.測每一點的B值之前，毫特計必須事先調(diào)零。 5.測雙線圈磁場分布時，兩線圈應(yīng)串聯(lián)。 [思考題] 1單線圈軸線上磁場的分布規(guī)律如何？亥姆霍茲線圈是怎樣組成的？其根本條件有哪些？它的磁場分布特點又怎樣？ 2用霍爾效應(yīng)測量磁場時，為何勵磁電流為零時，顯示的磁場值不為零？ . z.