2023-05-04 18:19来源:m.sf1369.com作者:宇宇
霍尔效应测空间磁场分布实验理论值B的计算方法。(不是那个霍尔效应测螺线管用霍尔元件测量B时,若B与元件法线方向成一角度θ时, UH= KH×I×B×
一.必做部分
测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上各点的磁感应强度
1.测量电流I=300 mA时,线圈1轴线上各点的磁感应强度B1。要求每隔1.00cm测量一组数据。
2.将测得的圆线圈轴线上的磁感应强度与理论公式(6-23-1)计算的结果进行比较。
3.线圈1和线圈2之间间距与线圈半径相等,即d=R。取电流I=300 mA,分别测量线圈1和线圈2单独通电时(电流方向相同),轴线上各点的磁感应强度B1和B2,然后在两线圈内通有大小相等、方向相同的电流I=300 mA,测量亥姆霍兹线圈轴线上各点的磁感应强度B1+2。
二.选做部分
1.描绘载流圆线圈轴线平面上的磁感应线分布图。
亥姆霍兹线圈通有电流I=300 mA,分别测量与轴线平行的几条直线上各点的磁感应强度。
2.当两个圆线圈通以大小相等(I=300 mA)、方向相反的电流时,测量其轴线上的磁场分布。
【数据记录与处理】
1.圆线圈轴线上磁场分布测量数据表格如表6-23-1所示,坐标原点设在圆心处, R=0.105m,N=500匝。要求在同一坐标系内画出实验曲线与理论曲线。
表6-23-1 圆线圈轴线上磁场分布测量数据
轴向距离 x/cm
-7.00
...
-1.00
1.00
...
7.00
B/mT
...
...
/ mT
...
...
2.亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布测量数据表格如表6-23-2所示,坐标原点设在两个线圈圆心连线的中点处。在同一坐标系里用坐标纸或计算机作出B1-x、B2-x、B1+2-x、B1+ B2-x四条曲线,考察B1+2-x与B1+B2-x 曲线,验证磁场叠加原理,即亥姆霍兹线圈轴线上任一点磁感应强度B1+2是两个单线圈分别在该点上产生的磁感应强度之和B1+ B2。
表6-23-2 亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布测量数据
轴向距离x/cm
-10.00
...
-1.00
1.00
...
10.00
B1/mT
B2/mT
B1+B2/mT
B1+2/mT
3.根据测量数据,简单说明亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布情况。
4.选做部分数据处理
(1)根据测量数据,近似画出亥姆霍兹线圈轴线平面上的磁感应线分布图。
(2)与亥姆霍兹线圈磁场比较,分析当两个圆线圈通大小相等方向相反电流时磁场分布特点。
【注意事项】
1.仪器使用时,应避开周围有强烈磁场源的地方。
2.开机后,预热10分钟左右,方可进行实验。
3.测量前,应断开线圈电路,在电流为零时调零,然后接通线圈电路,进行测量和读数。
1、 当霍尔电压保持恒定,改变励磁电流时,测量得到的霍尔电压随励磁电流的增加而增加2、 当励磁电流保持恒定,改变霍尔电流时,测量得到的霍尔电压随霍尔电流的增加而增加。
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
(1-1)
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。