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1、亥姆霍茲線圈實驗報告 作者: 日期: 亥姆霍茲線圈實驗報告 【實驗原理】 1 ?載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場 (1)載流圓線圈磁場 一半徑為R,通以電流I的圓線圈,軸線上磁場的公式為 式中M為圓線圈的匝數(shù), X為軸上某一點到圓心 的 距 離 它的 磁場分布圖如圖1-1所示. O 0 (1 — 1) (2)亥姆霍茲線圈 所謂亥姆霍茲線圈為 兩個相同線圈彼此平行且 共軸,使線圈上通以同方 向電流I ,理論計算證實： 線圈間距a等于線圈半徑 R時,兩線圈合磁場在軸上(兩線圈圓心連線 )附近較大范圍內(nèi)是均勻的,如 圖1- 2所示. 圖1-2

2、袤拇霍替繃M憊場分布 2.霍爾效應(yīng)法測磁場 (1)霍爾效應(yīng)法測量原理 將通有電流I的導(dǎo)體置于磁 場中,那么在垂直于電流I和磁場E 方向上將產(chǎn)生一個附加電位差, 一現(xiàn)象是霍爾于1 現(xiàn),故稱霍爾效應(yīng). 為霍爾電壓. P IE1 如圖3-1所示 這 879年首先發(fā) 電位差U H稱 N型半導(dǎo)體,假設(shè) 在M N兩端加上電壓U,那么有電流I沿X軸方向流

3、動 〔有速度為V運動的電子〕, 此時在Z軸方向加以強(qiáng)度為E的磁場后, 運動著的電子受洛倫茲力F b的作用 而偏移、聚集在 S平面；同時隨著電子的向 S平面〔下平面〕偏移和聚集,在 P平面〔上平面〕出現(xiàn)等量的正電荷,結(jié)果在上下平面之間形成一個電場E h〔此 電場稱之為霍爾電場〕.這個電場反過來阻止電子繼續(xù)向下偏移. 當(dāng)電子受到 的洛倫茲力和霍爾電場的反作用力這二種到達(dá)平衡時 ,就不能向下偏移.此時 在上下平面〔S、P平面〕間形成一個穩(wěn)定的電壓U H〔霍爾電壓〕. 〔2〕霍爾系數(shù)、霍爾靈敏度、霍爾電壓 設(shè)材料的長度為I,寬為b,厚為d,載流子濃度為n,載流子速度v,那么與 通過材料的電流

4、I有如下關(guān)系： I = n c vbd 霍爾電壓 Uh=I B /ned=RMB/d =K hI B 式中霍爾系數(shù)R h=1 /ne,單位為 m3/c;霍爾靈敏度 Kh=R H/d,單位為 mV/mA 由此可見,使I為常數(shù)時,有U h= KhIB =k°B,通過測量霍爾電壓 UH,就 可計算出未知磁場強(qiáng)度 B. 本實驗使用的儀器用集成霍爾元件 ,已經(jīng)與顯示模塊聯(lián)調(diào),直接顯示磁場 強(qiáng)度. 【實驗儀器】 亥姆霍茲實驗儀由二局部組成. 它們分別為勵磁線圈架局部 〔見圖〈一〉〕 和磁場量儀器局部〔見圖〈二〉〕 手鞄 圖()茨姆杞滋線圈架局部 HZDH杭列大華 DH4501

5、A袁茲■塢纜窗藏場實驗儀 f.?i KB3 _i_ inr- O+ 杭州大華儀開制適石限必司 圖〈二〉450 1 A型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀面板 亥姆霍茲線圈架： ?二個勵磁線圈： 線圈有效半徑 10 5 mm 線圈匝數(shù) 500 匝 二線圈中央間距10 5 m m 測量磁場傳感器：4501A使用霍爾元件測量磁場 移動裝置：橫向可移動距離 150m m縱向可移動距離 50mm 空巨離分辨力0 . 5 mm 【實驗內(nèi)容】 1 .測量圓電流線圈軸線上磁場的分布 接好電路.開機(jī)預(yù)熱 5分鐘,調(diào)零.調(diào)節(jié)磁場實驗儀的輸出功率,使勵磁 電流有效值為I =2 0

6、0mA ,以圓電流線圈中央為坐標(biāo)原點,每隔1 0 . 0 mm 測一 個Bm值,測量過程中注意保持勵磁電流值不變 ,記錄數(shù)據(jù)并作出磁場 分布曲線圖. 2.測量亥姆霍茲線圈軸線上磁場的分布 關(guān)閉電源,把磁場實驗儀的兩組線圈串聯(lián)起來 〔注意極性不要接反〕,接到 磁場測試儀的輸出端鈕.調(diào)節(jié)磁場測試儀的輸出功率,使勵磁電流有效值仍 為l=200mA.以兩個圓線圈軸線上的中央點為坐標(biāo)原點 ,每隔10.0m m測一個 Bm值.記錄數(shù)據(jù)并作出磁場分布曲線圖. 【數(shù) 據(jù)處 理】 352蘭一甘科甘〞甘b 一 g ■ 川上L川何屮侖倉弘丿冬已九 核jvj隔熱上7瞇一燈7緲我? J嚴(yán)回 分.曲侃丿

7、夠0弭9］期險好皿」總—一 0.9 0.804 0.8 0.768 0.723 0.7 0.6 0.557 829 0.805 / 0.609 / 0.67 亥姆霍茲 0.85 0.773 0.75 0.729 0.678 0.65 0.619 0.55 0.5 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 100 亥姆霍茲 548 609 670 723768 804 82

8、9843 8亥0 茲55 855 849 842 829 805773 729 678 619 557 &0.548 T 0.6 m 圓線圈 0.58 0.58$588 0.573 0.567 .584 0.577 0.569 0.56 0.554 0.557 0

9、.54 0.52 0.519 0.545 0.527 ■ 0.5 0.501 0.507 \ 0.48 0.48 0.484 0.46 0.461 0.44 0.44 \ 0.441 0.42 0.4 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 440 461 480 501 519 540 554 567 圓'線583 588 584 577 569 557 545 527 507 484 460 441

10、 圓線圈 【思考討論】 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？ 答：呈正態(tài)分布,兩個相同的圓線圈彼此平行且共軸 ,通以同方向電流 理論上當(dāng)線圈間距等于線圈半徑時,兩線圈合磁場在軸線是附近是均勻的 ,然 后逐漸減小. 2.分析用霍爾效應(yīng)測量磁場時,當(dāng)流過線圈中的電流為零時,顯示的磁 場值不為零？ 答：由于有地磁場和大樓建筑等因素的影響 ,當(dāng)亥姆霍茲線圈沒有電流流 過時,顯示值也不為零. 3?分析磁場分布的對應(yīng)位置測量有值誤差的產(chǎn)生原因？ 答：(1)數(shù)據(jù)有波動,沒有等數(shù)據(jù)穩(wěn)定再讀數(shù),(2 )實驗過程中觸碰到導(dǎo) 線,影響了電流大小.