亥姆霍茲線圈磁場--南昌大學(xué)-物理實(shí)驗(yàn)(共9頁)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 普通物理實(shí)驗(yàn)（1） 實(shí)驗(yàn)名稱： 亥姆霍茲線圈磁場 學(xué)院： 理學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 應(yīng)用物理學(xué)152班 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)大樓B212 座位號(hào)： 26 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 第七周星期四上午十點(diǎn)開始 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1.學(xué)習(xí)和掌握霍爾效應(yīng)原理測量磁場的方法。 2.測量載流圓線圈和亥姆霍茲線圈軸線上的磁場分布。 二、實(shí)驗(yàn)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 根據(jù)比奧-薩伐爾定律，載流圓線圈在軸線（通過圓心并與線圈平面垂直的直線）上某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為 (1) 式中為真空磁導(dǎo)率，R為線圈的平均半徑，為圓線圈的匝數(shù)，I通過線圈的電流x為軸線上某一點(diǎn)到圓心O的距離.因此它在軸線上磁場分布圖如圖(1)所示。 （2） 亥姆霍茲線圈 所謂亥姆霍茲線圈是兩個(gè)相同的圓線圈，彼此平行且共軸，通以同方向電流I，理論計(jì)算證明：當(dāng)線圈間距a等于線圈半徑R時(shí)，兩線圈合磁場在軸線上（兩線圈圓心連線）附近比較大范圍內(nèi)是均勻的，如圖（2）所示.這種均勻磁場在工程運(yùn)用和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用十分廣泛。 圖（1） 載流圓線圈磁場分布 圖（2）亥姆霍茲線圈磁場分布 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，則在垂直于電流I和磁場B方向上將產(chǎn)生一個(gè)附加電勢差，這一現(xiàn)象是霍爾于1879年首先發(fā)現(xiàn)的，故稱霍爾效應(yīng).電勢差稱為霍爾電壓. 如圖25-5所示n型半導(dǎo)體，若導(dǎo)體中電流I沿x軸方向流動(dòng)（有速度為v運(yùn)動(dòng)的電子），此時(shí)在z軸方向上加上強(qiáng)度為B的磁場后，運(yùn)動(dòng)著的電子受洛倫茲力的作用而偏移、聚集在S平面；同時(shí)隨著電子向S平面偏移和聚集，在P平面出現(xiàn)等量的正電荷，結(jié)果在S、P平面之間形成一個(gè)電場（此電場稱之為霍爾電場） 這個(gè)電場反過來阻止電子繼續(xù)向S面偏移.當(dāng)電子受到的洛倫茲力和霍爾電場的反作用力達(dá)到平衡時(shí)，就不能向S面偏移.此時(shí)在S、P平面間形成一個(gè)穩(wěn)定的電壓（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l，寬度為b，厚度為d，載流子濃度為n，載流子速度為v，他們與通過材料的電流I有如下關(guān)系 霍爾電壓 式中霍爾系數(shù)，單位為；霍爾靈敏度，單位為mV/mA.由此可見，當(dāng)I為常量時(shí)，有，通過測量霍爾電壓就可計(jì)算出未知磁場強(qiáng)度B. 本實(shí)驗(yàn)使用霍爾效應(yīng)法測磁場，并且本實(shí)驗(yàn)使用的儀器用集成霍爾元件，已經(jīng)與模塊聯(lián)調(diào)，直接顯示磁場強(qiáng)度。 三、實(shí)驗(yàn)儀器： 亥姆霍茲線圈磁場實(shí)驗(yàn)儀 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟： 1. 測量圓電流線圈軸線上磁場的分布 （1） 儀器使用前，請先開機(jī)預(yù)熱5min接好電路，調(diào)零. （2） 調(diào)節(jié)磁場實(shí)驗(yàn)儀的輸出功率，使勵(lì)磁電流有效值為I=200mA，以圓電流線圈中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，每隔10.0 mm測一個(gè)值，測量過程中注意保持勵(lì)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 （1） 關(guān)掉電源，把磁場實(shí)驗(yàn)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)零. （2） 調(diào)節(jié)磁場測試儀的輸出功率，使勵(lì)磁電流有效值仍為I=200mA，以兩個(gè)圓線圈軸線上的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，每隔10.0 mm測一個(gè)值.記錄數(shù)據(jù)并作出磁場分布曲線圖. 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理： 1．圓電流線圈軸線上磁場分布的測量數(shù)據(jù)（注意坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在圓心處，要求列表記錄，表格中包括測點(diǎn)位置，并在表格中表示出各測點(diǎn)對應(yīng)的理論值），在坐標(biāo)紙上畫出實(shí)驗(yàn)曲線。 Bmax時(shí)，記錄x≈53.0mm x/mm 0 10 20 30 40 50 △x/mm -53 -43 -33 -23 -13 -3 Bm/mT 測量值 0.419 0.462 0.502 0.536 0.555 0.564 Bm/mT 標(biāo)準(zhǔn)值 0.425 0.474 0.519 0.557 0.584 0.597 Bm/mT 誤差值 0.006 0.012 0.017 0.021 0.029 0.033 x/mm 60 70 80 90 100 110 △x/mm 7 17 27 37 47 57 Bm/mT 測量值 0.556 0.533 0.500 0.460 0.415 0.368 Bm/mT 標(biāo)準(zhǔn)值 0.594 0.575 0.544 0.502 0.455 0.406 Bm/mT 誤差值 0.038 0.042 0.044 0.038 0.040 0.038 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得圖像： 2．亥姆霍茲線圈磁場軸線上的磁場分布的測量數(shù)據(jù)記錄（注意坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在兩個(gè)線圈圓心連線的中點(diǎn)O處），在坐標(biāo)紙上畫出實(shí)驗(yàn)曲線。 x/mm 110 100 90 80 70 60 Bm/mT 實(shí)驗(yàn)值 0.490 0.550 0.612 0.668 0.723 0.770 x/mm 50 40 30 20 10 0 Bm/mT 實(shí)驗(yàn)值 0.807 0.831 0.845 0.853 0.854 0.855 x/mm -10 -20 -30 -40 -50 -60 Bm/mT 實(shí)驗(yàn)值 0.853 0.851 0.845 0.833 0.810 0.778 x/mm -70 -80 -90 -100 -110 Bm/mT 實(shí)驗(yàn)值 0.732 0.682 0.624 0.564 0.502 根據(jù)數(shù)據(jù)可得圖像為： 六、誤差分析： 1.系統(tǒng)誤差： 1) 線圈的半徑不準(zhǔn)； 2) 刻度尺的刻度不準(zhǔn)； 3) 電流在實(shí)驗(yàn)過程中略微變小。 2.偶然誤差： 1) 周圍環(huán)境的變化引起磁場的變化； 2) 讀數(shù)時(shí)的誤差； 3) 儀器顯示示數(shù)變化較快，單線圈環(huán)心的刻度讀取錯(cuò)誤； 七、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？其基本條件有哪些？它的磁場分布特點(diǎn)又怎樣？ 1) 單線圈軸線上磁場的分布規(guī)律：單線圈軸線上磁場方向垂直于線圈平面,方向用右手螺旋定則判斷，大小B=μ0IR2/2（R2+x2）3/2越靠近圓心B越大。 2) 亥姆霍茲線圈的組成：亥姆霍茲線圈由兩個(gè)半徑和匝數(shù)完全相同的線圈組成，兩線圈彼此平行且共軸，串接而成，間距等于半徑R，通以同方向電流I。 3) 亥姆霍茲線圈的基本條件：兩個(gè)圓形線圈之間的平均距離d恰好等于圓形線圈的平均半徑R。 4) 亥姆霍茲線圈的磁場分布特點(diǎn)：能夠在較大空間內(nèi)能產(chǎn)生高度均勻的磁場。 2.分析用霍爾效應(yīng)測量磁場時(shí)，當(dāng)流過線圈中的電流為零時(shí)，顯示的磁場值不為零？ 因?yàn)榈卮艌龊铜h(huán)境磁場的存在。 3.分析圓電流磁場分布的理論值與實(shí)驗(yàn)值的誤差產(chǎn)生的原因？ 1) 連接導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場； 2) 環(huán)境磁場的變化； 3) 讀數(shù)時(shí)示數(shù)在不斷地波動(dòng)，造成誤差； 4) 環(huán)心的刻度讀數(shù)有誤差； 八、附上原始數(shù)據(jù)： 專心---專注---專業(yè)