亥姆霍茲線圈實驗報告

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1、 亥姆霍茲線圈實驗報告 作者: 日期: 亥姆霍茲線圈實驗報告 【實驗原理】 1.載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場 (1)載流圓線圈磁場 一半徑為R,通以電流I的圓線圈，軸線上磁場的公式為 (1-1) 式中N)為圓線圈的匝數(shù)， X為軸上某一點到圓心O 的 距 離。 生三物冽它的 磁場分布圖如圖1-1所示。 (2)亥姆霍茲線圈 所謂亥姆霍茲線圈為 兩個相同線圈彼此平行且 共軸，使線圈上通以同方 向電流I ,理論計算證明： 線圈間距a等于線圈半徑 R時，兩線圈合磁場在軸上(兩線圈圓心連線)附近較大范圍內(nèi)是均勻的，如 圖1- 2所小。 2.霍爾效應(yīng)法測磁場 (1)霍

2、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)生一個附加電位差， 這 一現(xiàn)象是霍爾于1879年首先發(fā) 現(xiàn)，故稱霍爾效應(yīng)。電位差U H稱 為霍爾電壓。 如圖3-1所示N型半導(dǎo)體,若 在MN兩端加上電壓U,則有電流I沿X軸方向流動 （有速度為V運動的電子）， 此時在Z軸方向加以強度為B的磁場后，運動著的電子受洛倫茲力F b的作用 而偏移、聚集在 S平面；同時隨著電子的向 S平面（下平面）偏移和聚集，在 P平面（上平面）出現(xiàn)等量的正電荷，結(jié)果在上下平面之間形成一個電場E H（此 電場稱之為霍爾電場）。這個電場反過來阻止電子繼續(xù)向下偏移。 當(dāng)電子受到

3、的洛倫茲力和霍爾電場的反作用力這二種達(dá)到平衡時，就不能向下偏移。此時 在上下平面（S、P平面）問形成一個穩(wěn)定的電壓U h（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1,寬為b,厚為d,載流子濃度為n,載流子速度v,則與 通過材料的電流I有如下關(guān)系： I = n e vbd 霍爾電壓Uh=I B /ned=R』B/d =K hI B 式中霍爾系數(shù)R h= 1 /ne,單位為 m3/c;霍爾靈敏度 Kh= R H/d ,單位為 mV/mA 由此可見，使I為常數(shù)時，有U H= KhIB =k0B,通過測量霍爾電壓 Uh,就 可計算出未知磁場強度 Bo 本實驗使

4、用的儀器用集成霍爾元件，已經(jīng)與顯示模塊聯(lián)調(diào)，直接顯示磁場 強度。 【實驗儀器】 亥姆霍茲實驗儀由二部分組成。 它們分別為勵磁線圈架部分 （見圖〈一〉） 和磁場量儀器部分（見圖〈二〉） 手輪 圖（ 友姆霍茲線圈架部分 DH4501A亥茲*姆線網(wǎng)磁場實驗儀 HZDH杭州大華 杭州大華儀襦制造用限公司 電詢！端置，電氏雷爾工乜1|； 普勵電流 圖〈二〉45

5、0 1 A型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀面板 亥姆霍茲線圈架： ”個勵磁線圈： 線圈有效半徑10 5 mm 線圈匝數(shù) 500 匝 二線圈中心間距10 5mm 測量磁場傳感器：4501A使用霍爾元件測量磁場。 移動裝置：橫向可移動距離150mm縱向可移動距離 50mm 離分^^力0 . 5 mm 【實驗內(nèi)容】 1 .測量圓電流線圈軸線上磁場的分布 接好電路。開機(jī)預(yù)熱 5分鐘，調(diào)零。調(diào)節(jié)磁場實驗儀的輸出功率，使勵磁 電流有效值為I =2 0 0mA ,以圓電流線圈中心為坐標(biāo)原點,每隔10.0 mm 測一 個Bmfi,測量過程中注意保持勵磁電流值不變

6、，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 關(guān)閉電源，把磁場實驗儀的兩組線圈串聯(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)節(jié)磁場測試儀的輸出功率，使勵磁電流有效值仍 為I=200mA。以兩個圓線圈軸線上的中心點為坐標(biāo)原點，每隔10.0mm測一個 Bm值。記錄數(shù)據(jù)并作出磁場分布曲線圖。 依7&今7ls“可狗的血砥 國q h in m可利網(wǎng)蛻 相方\小才打 4力7。仃「。一 臬［ 川」和一」“闖 單；巾腆7?過 ■一蛆他轉(zhuǎn)”/河他曲時上此一 0.804 0.768 0.723 0.67 0.609

7、 0.557 0.548 亥姆霍茲 0.85 0.805 0.8 0.773 0.75 0.729 0.7 0.678 0.65 0.619 0.6 0.55 0.5 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 548 609 670 723768 804 829843 729 678 619 557 T 0.9 m ^5855 855 849 842 829 805773 -70 -80 -90 … 100 ,。募.—國登西 T 0.6 m 圓線圈 0

8、.58 0.580.580 0.573 0.567 .584 10.577 0.569 0.56 0.554 0.557 0.54 0.52 0.519 0.545 0.527 0.5 0.501 0.507 \ 0.48 0.48 0.484 0.46 0.461 0.44 0.44 \ 0.441 0.42 0.4 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 圓線圈 440 461 480 501 519 540 554 567 50 45 588 584 40 577 35 569

9、30 25 557 545 20 527 15 507 10 484 460 441 【思考討論】 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？具 基本條件有哪些？它的磁場分布特點又怎樣? 答：呈正態(tài)分布，兩個相同的圓線圈彼此平行且共軸 ,通以同方向電流 理論上當(dāng)線圈間距等于線圈半徑時，兩線圈合磁場在軸線是附近是均勻的，然 后逐漸減小。 2 .分析用霍爾效應(yīng)測量磁場時，當(dāng)流過線圈中的電流為零時，顯示的磁 場值不為零？ 答：由于有地磁場和大樓建筑等因素的影響，當(dāng)亥姆霍茲線圈沒有電流流 過時，顯示值也不為零。 3 .分析磁場分布的對應(yīng)位置測量有值誤差的產(chǎn)生原因？ 答：（1）數(shù)據(jù)有波動，沒有等數(shù)據(jù)穩(wěn)定再讀數(shù)，（2）實驗過程中觸碰到導(dǎo) 線，影響了電流大小。