霍尔法测量圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场[精选].ppt

霍尔法测量圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场 章国荣 一、实验目的 1.了解霍尔法测量磁场的基本原理。 2.掌握仪器使用方法。 3.熟练掌握霍尔法测量亥姆霍兹线圈磁场的方法 实验原理 一.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场 1.1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） 式中N0为圆线圈的匝数，X为轴上某一点到圆心O的距离。 本实验取Ｎ０＝500匝，Ｉ＝500mＡ， Ｒ＝110mm，圆心O处x ＝0，可算得圆电流线圈磁感应强度B=1.43mT。它的分布图如下图1所示。  1.2亥姆霍兹线圈 1）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 。 2）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 。 3）本实验亥姆霍兹线圈中心磁感应强度 =1.43×1.431mT =2.05mT 它的分布图如下图2所示 二、霍尔效应法测磁场 2.1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EH，这一现象是霍尔于1879年首先发现，故称霍尔效应。电位差UH称为霍尔电压。 使用方法 1、准备工作 ：仪器使用前，先开机预热1 0分钟 。 2、亥姆霍兹线圈架与磁场测量仪之间的连线 用随机带来的两头都是同轴插头的连接线将测量仪的偏置电压端与测试架的偏置电压端相连.将测量仪的霍尔电压端与测试架的霍尔电压端相连。如下图 实验内容 1、测量圆电流线圈轴线上磁场的分布 连接好线路，调节励磁电流为零，将磁感应强度清零。 调节磁场测量仪的励磁电流调节电位器，使表头显示值为500mＡ,此时毫特计表头应显示一对应的磁感应强度B值。 以圆电流线圈中心为坐标原点，每隔10.0 mm测一磁感应强度B的值，测量过程中注意保持励磁电流值不变。 2、测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布 按图接线，然后在励磁电流为零的情况下将磁感应强度清零。 调节磁场测量仪的励磁电流调节电位器，使表头显示值为500mＡ,此时毫特计表头应显示一对应的磁感应强度B值。 以亥姆霍兹线圈中心为坐标原点，每隔10.0 mm测一磁感应强度B的值，测量过程中注意保持励磁电流值不变。 3、励磁电流大小对磁场强度的影响 此时可以选择单线圈或者亥姆霍兹线圈磁场分布测量的连线方法之一进行连线，仍然在励磁电流为零的情况下将磁感应强度清零。 调节磁场测量仪的励磁电流调节电位器，使表头显示值为100mＡ,将霍尔传感器的位置调节到以圆电流线圈中心位置或者亥姆霍兹线圈中心位置。 调节励磁电流调节电位器，每增加100mA记下一磁感应强度B的值，直到励磁电流显示为500mA记下一磁感应强度B值为止。 测试数据处理 1 .圆电流线圈轴线上磁场分布 将圆电流线圈轴线上磁场分布的测量数据记录于表1（注意：坐标原点设在圆心处）。表格中包括测点位置X，磁感应强度B值，在同一坐标纸上画出实验曲线与理论曲线。 * * 图1 单个圆环线圈磁场分布 图2 亥姆霍兹线圈磁场分布 霍尔效应 在霍尔效应中导体的电子在洛仑兹力f L 作用下，向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力 f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时， f L=－f E，则电子积累便达到动态平衡 。 ★设电子按均一速度 ，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：f L=－e B 。 同时，电场作用于电子的力为：f E l 式中：EH为霍尔电场强度，VH为霍尔电势，l为霍尔元件宽度 当达到动态平衡时: f L=－f E B=VH/l 设霍尔元件宽度为，厚度为d ，载流子浓度为 n ，则霍尔元件的工作电流为 则得到霍尔电压 称为霍尔系数 当霍尔元件的材料和厚度确定时，设： 可得： 式中： 称为元件的灵敏度 当电流I为常数时,有VH= KHIB =k0B，通过测量霍尔电压VH，就可计算出未知磁场强度B。 DH4501A型亥姆霍兹线圈磁场实验仪接线示意图 如果只是用二个线圈中