圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)

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1、圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng) 磁場(chǎng)測(cè)量是磁測(cè)量中最基本的內(nèi)容，最常用的測(cè)量方法有三種；感應(yīng)法、核磁共振法和霍爾效應(yīng)法。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用霍爾效應(yīng)法測(cè)量載流亥姆霍茲線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸線的分布 〔實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1 .掌握弱磁場(chǎng)測(cè)量原理及如何用集成霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的方法。 2 .驗(yàn)證磁場(chǎng)迭加原理。 3 .學(xué)習(xí)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的特性。||N 〔實(shí)驗(yàn)原理〕 、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(chǎng)情況如圖3.14.1所示 度Bo為 0 圖3J4.1載流圓戰(zhàn)圜及其磁場(chǎng)分布 B0TNI 2R 軸線外的磁場(chǎng)分布情況較復(fù)雜，這里簡(jiǎn)略. 二、亥姆

2、霍茲線圈 (3.14.2 ) 亥姆霍茲線圈是一對(duì)彼此平行且連通的共軸圓形線圈，每一線圈N匝，兩線圈內(nèi)的電 設(shè)x為亥姆霍茲線圈中軸線上某點(diǎn)離中心點(diǎn) 。處的距離，則亥姆霍茲線圈軸線上任 流方向一致，大小相同，線圈之間距離d正好等于圓形線圈的平均半徑Ro其軸線上磁場(chǎng)分布情況如圖3.14.2所示，虛線為單線圈在軸線上的磁場(chǎng)分布情況。這種線圈的特點(diǎn)是能在其公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣的均勻磁場(chǎng)區(qū)，故在生產(chǎn)和科研中有較大的實(shí)用價(jià)值，也常用于弱磁場(chǎng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。 3,14.2支朋霍弦選圈朋其磁場(chǎng)分布 點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B為 1 2 一2 B 0 N I R2 R2 2 o 3/2

3、 — 2 R 一 x 2 R2 o 3/ 2 — 2 R -x 2 (3.14.3 ) 0 圈軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B為 3/2 R2 2 3/2 d 一x 2 (3.14.5 ) 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(chǎng)測(cè)量，它測(cè)量靈敏度高， 體積小，易于在磁場(chǎng)中移動(dòng)和定位。本實(shí)驗(yàn)用SS95A?集成霍爾傳感器測(cè)量載流圓線圈磁 場(chǎng)分布，其工作原理也基于霍爾效應(yīng)。 本實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償器組成，測(cè)量時(shí)輸出信號(hào)大，剩

4、余電壓的影響已被消除。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(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，傳感器、圓線圈的工作回路相互獨(dú)立，并且傳感器的工作電流已設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)工作電流（定值）。即KI=K（常數(shù)）則有：UhKB,其中K為常數(shù)。這樣UH與B建立簡(jiǎn)單的正比對(duì)應(yīng)關(guān)系，由UH值可得出B的示值。 〔實(shí)驗(yàn)儀器〕 FD-HM-II型磁場(chǎng)測(cè)定儀，高靈敏度毫特計(jì)，數(shù)字式直流穩(wěn)流電源。 實(shí)驗(yàn)裝置見圖3,FD-HM-II型磁場(chǎng)測(cè)定儀由圓線圈和亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（包括兩 個(gè)圓線圈、固定夾、不銹鋼直尺、鋁尺）、高靈敏度毫特計(jì)和數(shù)字式直流穩(wěn)流電源等組成。 圖

5、3FD-HM-II型磁場(chǎng)測(cè)定儀 1、毫特斯拉計(jì)2、電流表3、直流電流源4、 電流調(diào)節(jié)旋鈕 1 .實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 兩個(gè)線圈各500匝，圓線圈的內(nèi)徑19.00cm、外徑21.00cm、平均半徑R=10.00cm.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的臺(tái)面應(yīng)在兩個(gè)對(duì)稱圓線圈軸線上(臺(tái)面中心橫刻線與兩個(gè)對(duì)稱圓線圈軸線重合)，臺(tái)面上有相間1.00cm的均勻網(wǎng)格線。 2 .高靈敏度毫特計(jì) 它采用兩個(gè)參數(shù)相同的SS95A?集成霍爾傳感器，配對(duì)組成探測(cè)器，經(jīng)信號(hào)放大后，用三位半數(shù)字電壓表測(cè)量探測(cè)器輸出信號(hào)。該儀器量程0—2.000mT,分辨率為1106T 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(dāng)兩

6、線圈串接時(shí)，電源輸出電流為50-200mA連續(xù)可調(diào)；當(dāng)兩線圈并接時(shí)，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(shí)應(yīng)注意： (1)開機(jī)后，應(yīng)至少預(yù)熱10分鐘，才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 (2)每測(cè)量一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，換另一位置測(cè)量時(shí)，應(yīng)斷開線圈電路，在電流為零時(shí)調(diào)零，然后接通線圈電路，進(jìn)行測(cè)量和讀數(shù)，調(diào)零的作用是抵消地磁場(chǎng)的影響及對(duì)其它不穩(wěn)定因素的補(bǔ)償。 〔實(shí)驗(yàn)內(nèi)容〕 、測(cè)量前準(zhǔn)備 連接電路按圖3,接通電源，開機(jī)預(yù)熱10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(tái)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(gè)亥姆霍茲線圈。 二、

7、單線圈軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量 1 .單線圈a軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba 按圖接線（直流穩(wěn)流電源中數(shù)字電流表已用接在電源的一個(gè)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(tái)面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,通過O的橫刻線為OX軸。把傳感器探頭從一側(cè)沿O沖由移動(dòng)，每移動(dòng)1.00cm測(cè)一磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba,測(cè)出一系列與坐標(biāo)x對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba,數(shù)據(jù)填入表格3.14.1中。測(cè)量區(qū)域?yàn)?10cm?+10cm 表1單線圈a軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ba X(cm) -10 -9 -8 -7 -6 -5 一4 Ba(mT X(cm) -3 -

8、2 -1 0 1 2 3 Ba(mJ X(cm) 4 5 6 7 8 9 10 Ba(mJ 實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)注意毫特計(jì)探頭沿線圈軸線移動(dòng)，每測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，必須先在直流電流輸出電路斷開時(shí)（1=0）調(diào)零后，才測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)。 2 .單線圈b軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bb 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(cè)量方法,測(cè)出一系列X—Bb數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)填入表格3.14.2中。測(cè)量區(qū)域?yàn)?10cm—+10cm= 表2單線圈b軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bb X(cm) -10 -9 -8

9、 -7 -6 -5 一4 Bb(mT X(cm) -3 -2 -1 0 1 2 3 Bb(mJ X(cm) 4 5 6 7 8 9 10 Bb(mJ 3.在軸線上某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)毫特計(jì)探頭，觀察一下該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向：轉(zhuǎn)動(dòng)探頭觀測(cè)毫 特計(jì)的讀數(shù)值，讀數(shù)最大時(shí)傳感器法線方向，即是該點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向 、雙線圈軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量 1.令兩線圈串連，流過的電流方向一致（紅黑接線柱交錯(cuò)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

10、，測(cè)軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br值測(cè)量方法同上。得出的一系列X-BR數(shù)據(jù)填入表格3.14.3中。測(cè)量區(qū)域?yàn)?10cm-+10cnr用直角坐標(biāo)紙，在同一坐標(biāo)系作Br—X、Ba—X、Bb—X、Ba+Bb—X四條曲線，考察Br—X與Ba+Bb—X曲線，驗(yàn)證磁場(chǎng)疊加原理. 表3測(cè)雙線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br值 X(cm) -10 -9 -8 -7 -6 -5 一4 Br(mT X(cm) -3 -2 -1 0 1 2 3 Br(mT X(cm) 4 5 6 7 8 9 10 Br(mT

11、 3.用直角坐標(biāo)紙，在坐標(biāo)系作Br—X、Br,—X、B2R—X三條曲線，證明磁場(chǎng)疊加原 2 理。 〔注意事項(xiàng)〕 1 .注意霍爾傳感器的放置方法。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度B是矢量，測(cè)量過程中，傳感器沿軸線放置時(shí)，毫特計(jì)可能指示負(fù)值，這里為了便于比較、驗(yàn)證疊加原理，統(tǒng)一取其絕對(duì)值。 2 .在調(diào)節(jié)兩線圈時(shí)，應(yīng)注意兩線圈是否共軸、軸線是否與臺(tái)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(diǎn)(圓心)左右對(duì)稱；若以亥姆霍茲線圈軸 線的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則點(diǎn)R=0.314mTB15=0.111mTB0=0.225mT

12、(2)雙線圈B值應(yīng)關(guān)于雙線圈的中心點(diǎn)左右對(duì)稱；若以雙線圈軸線的中心點(diǎn)為坐 標(biāo)原點(diǎn)，則有 雙線圈距離為R時(shí): B0=0.45OmT Bi0=0.278mTR=0.425mT 雙線圈距離為R/2時(shí)：B0=0.573mT B10=0.237mTB5=0.448mT 雙線圈距離為2R時(shí)：Bo=0.222mTB0=0.342mT&=0.278mT 實(shí)測(cè)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(shí)，必須注意磁場(chǎng)的方向。如果接錯(cuò)線有可能使 雙線圈中間軸線上的磁場(chǎng)為零或極小。 4. 測(cè)每一點(diǎn)的B值之前，毫特計(jì)必須事先調(diào)零。 5. 測(cè)雙線圈磁場(chǎng)分布時(shí)，兩線圈應(yīng)串聯(lián)。 [思考題] 1單線圈軸線上磁場(chǎng)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(chǎng)分布特點(diǎn)又怎樣？ 2用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)，為何勵(lì)磁電流為零時(shí)，顯示的磁場(chǎng)值不為零？