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圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場(共5頁)

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圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場(共5頁)

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場 磁場測量是磁測量中最基本的內(nèi)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(qiáng)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(xí)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3.14.1所示。 根據(jù)畢奧-薩伐爾定律,軸線上某點的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 (3.14.1) 式中I為通過線圈的電流強(qiáng)度,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(qiáng)度為 (3.14.2) 軸線外的磁場分布情況較復(fù)雜,這里簡略。 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,兩線圈內(nèi)的電流方向一致,大小相同,線圈之間距離d正好等于圓形線圈的平均半徑。其軸線上磁場分布情況如圖3.14.2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(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)為亥姆霍茲線圈中軸線上某點離中心點O處的距離,則亥姆霍茲線圈軸線上任一點的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 (3.14.3) 在亥姆霍茲線圈軸線上中心O處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 (3.14.4) 三、雙線圈 若線圈間距d不等于。設(shè)為雙線圈中軸線上某點離中心點O處的距離,則雙線圈軸線上任一點的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 (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(bǔ)償器組成,測量時輸出信號大,剩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(biāo)準(zhǔn)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3FD-HM-Ⅱ型磁場測定儀 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、大理石10、線圈A、B、C、D為接線柱 1.實驗平臺 兩個線圈各500匝,圓線圈的內(nèi)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)相同的SS95A型集成霍爾傳感器,配對組成探測器,經(jīng)信號放大后,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(dāng)兩線圈串接時,電源輸出電流為50-200mA連續(xù)可調(diào);當(dāng)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(jī)后,應(yīng)至少預(yù)熱10分鐘,才進(jìn)行實驗。 (2)每測量一點磁感應(yīng)強(qiáng)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(jìn)行測量和讀數(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(bǔ)償。 〔實驗內(nèi)容〕 一、測量前準(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(qiáng)度的測量 1.單線圈a軸線上各點的磁感應(yīng)強(qiáng)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(biāo)原點O,通過O的橫刻線為OX軸。把傳感器探頭從一側(cè)沿OX軸移動,每移動1.00cm測一磁感應(yīng)強(qiáng)度,測出一系列與坐標(biāo)x對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,數(shù)據(jù)填入表格3.14.1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(qiáng)度Ba X(cm) –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 Ba(mT) X(cm) –3 –2 –1 0 1 2 3 Ba(mT) X(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(qiáng)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X—數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)填入表格3.14.2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(qiáng)度Bb X(cm) –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 Bb(mT) X(cm) –3 –2 –1 0 1 2 3 Bb(mT) X(cm) 4 5 6 7 8 9 10 Bb(mT) 3.在軸線上某點轉(zhuǎn)動毫特計探頭,觀察一下該點磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度方向。 三、雙線圈軸線上各點磁感應(yīng)強(qiáng)度測量 1.令兩線圈串連,流過的電流方向一致(紅黑接線柱交錯相接),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(qiáng)度值測量方法同上。得出的一系列X-數(shù)據(jù)填入表格3.14.3中。測量區(qū)域為-10cm—+10cm。用直角坐標(biāo)紙,在同一坐標(biāo)系作-X、-X、-X、+-X四條曲線,考察-X與+-X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(qiáng)度值 X(cm) –10 –9 –8 –7 –6 –5 –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) 3.用直角坐標(biāo)紙,在坐標(biāo)系作-X、-X、-X三條曲線,證明磁場疊加原理。 〔注意事項〕 1.注意霍爾傳感器的放置方法。由于磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)值,這里為了便于比較、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;若以亥姆霍茲線圈軸線的中心點為坐標(biāo)原點,則點B5=0.314mTB15=0.111mTB0=0.225mT (2)雙線圈B值應(yīng)關(guān)于雙線圈的中心點左右對稱;若以雙線圈軸線的中心點為坐標(biāo)原點,則有 雙線圈距離為R時:B0=0.450mTB10=0.278mTB5=0.425mT 雙線圈距離為R/2時:B0=0.573mTB10=0.237mTB5=0.448mT 雙線圈距離為2R時:B0=0.222mTB10=0.342mTB5=0.278mT 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?其基本條件有哪些?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? 專心---專注---專業(yè)

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