6.用霍爾效應(yīng)測量螺線管軸向磁場實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板

PAGEPAGE2實(shí)驗(yàn)八用霍爾效應(yīng)測量螺線管磁場用霍爾傳感器測量通電螺線管內(nèi)勵(lì)磁電流與輸出霍爾電壓之間關(guān)系，證明霍爾電勢差與螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；用通電長直通電螺線管軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計(jì)算值作為標(biāo)準(zhǔn)值來校準(zhǔn)或測定霍爾傳感器的靈敏度，熟悉霍爾傳感器的特性和應(yīng)用；用該霍爾傳感器測量通電螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與螺線管軸線位置刻度之間的關(guān)系，作磁感應(yīng)強(qiáng)度與位置刻線的關(guān)系圖，學(xué)會(huì)用霍爾元件測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法。圖1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膱D11．了解霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，掌握其測量磁場的原理。2．學(xué)會(huì)用霍爾效應(yīng)測量長直通電螺線管軸向磁場分布的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理圖1所示的是長直螺線管的磁力線分布，有圖可知，其內(nèi)腔中部磁力線是平行于軸線的直線系，漸近兩端口時(shí)，這些直線變?yōu)閺膬啥丝陔x散的曲線，說明其內(nèi)部的磁場在很大一個(gè)范圍內(nèi)是近似均勻的，僅在靠近兩端口處磁感應(yīng)強(qiáng)度才顯著下降，呈現(xiàn)明顯的不均勻性。根據(jù)電磁學(xué)畢奧－薩伐爾定律，通電長直螺線管線上中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為: （1）理論計(jì)算可得，長直螺線管軸線上兩個(gè)端面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為內(nèi)腔中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的1/2： （2）圖2L式中，為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7(T·m/A)，N為螺線管的總匝數(shù)，IM為螺線管的勵(lì)磁電流，L為螺線管的長度，D為螺線管的平均直徑。圖2L附加電勢差的消除應(yīng)該說明，在產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的同時(shí)，因伴隨著多種副效應(yīng)（見附錄），以致實(shí)驗(yàn)測得的電壓并不等于真實(shí)的VH值，而是包含著各種副效應(yīng)引起的附加電壓，因此必須設(shè)法消除。根據(jù)副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理可知，采用電流和磁場換向的對稱測量法，基本上能夠把副效應(yīng)的影響從測量的結(jié)果中消除，具體的做法是Is和B(即lM)的大小不變，并在設(shè)定電流和磁場的正、反方向后，依次測量由下列四組不同方向的Is和B組合的A、A′兩點(diǎn)之間的電壓V1、V2、V2、和V4，即+Is+BV1+Is-BV2-Is-BV3-Is+BV4然后求上述四組數(shù)據(jù)V1、V2、V3和V4絕對值的平均值，可得：（3）通過對稱測量法求得的VH，雖然還存在個(gè)別無法消除的副效應(yīng)，但其引入的誤差甚小，可以略而不計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)儀器1．FB510型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀；2．FB510型霍爾效應(yīng)組合實(shí)驗(yàn)儀（螺線管）。圖3技術(shù)性能：圖31．螺線管線圈：匝數(shù)為N=2550匝，長度L=260mm，平均直徑D=35mm，磁場線圈中心磁場強(qiáng)度勵(lì)磁電流（mA）100200300400500螺線管線圈磁場強(qiáng)度（mT）1.222.443.674.886.115．霍爾傳感器：由制成，霍爾靈敏度：190~230(mV/mA·T)7．三組換向開關(guān)：由繼電器和按鈕開關(guān)組成，位置由發(fā)光二極管指示。8．實(shí)驗(yàn)儀提供二組穩(wěn)壓恒流源勵(lì)磁電源：電壓，電流值由三位半數(shù)字式電流表指示。螺線管線圈：，連續(xù)可調(diào)。9．總電源：,交流市電，功耗四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟把FB510型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀與FB510型霍爾效應(yīng)組合實(shí)驗(yàn)儀（螺線管）正確連接。把勵(lì)磁電流接到螺線管IM輸入端。把測量探頭調(diào)節(jié)到螺線管軸線中心，即刻度尺讀數(shù)為13.0cm處，調(diào)節(jié)恒流源2,使Is=4.00mA，按下(VH/Vs)（即測VH），依次調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為IM=0~±500mA，每次改變±50mA,依此測量相應(yīng)的霍爾電壓，并通過作圖證明霍爾電勢差與螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。放置測量探頭于螺線管軸線中心，即13.0cm刻度處，固定勵(lì)磁電流±500mA，調(diào)節(jié)霍爾工作電流為：Is=0~±4.00mA，每次改變±0.50mA，測量對應(yīng)的霍爾電壓VH，通過作圖證明霍爾電勢差與霍爾電流成正比。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為500mA，調(diào)節(jié)霍爾電流為4.00mA，測量螺線管軸線上刻度為X=0.0cm~13.0cm，每次移動(dòng)1cm，測各位置對應(yīng)的霍爾電勢差。(注意,根據(jù)儀器設(shè)計(jì),這時(shí)候?qū)?yīng)的二維尺水平移動(dòng)刻度讀數(shù)為：13.0cm處為螺線管軸線中心，0.0cm處為螺線管軸線的端面，找出霍爾電勢差為螺線管中央一半的數(shù)值的刻度位置。與理論值比較，計(jì)算相對誤差。按給出的霍爾靈敏度作磁場分布B~X圖。用螺線管中心點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度理論計(jì)算值，校準(zhǔn)或測定霍爾傳感器的靈敏度?！咀⒁馐马?xiàng)】勵(lì)磁線圈不宜長時(shí)間通電，否則線圈發(fā)熱，會(huì)影響測量結(jié)果?；魻栐幸欢ǖ臏囟认禂?shù)，為了減少其自身發(fā)熱對測量影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)工作電流不允許超過其額定值5mA，（建議使用值：Is=0~4mA）。五、思考題如果螺線管在繞制中，單位長度的匝數(shù)不相同或繞制不均勻，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)什么情況？在繪制B~X分布圖時(shí)，電磁學(xué)上的端面位置是否與螺線管幾何端面重合？圖6【附錄】圖6一、繼電器換向開關(guān)的使用說明：單刀雙向繼電器的電原理如圖6所示。當(dāng)繼電器線包不加控制電壓時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)與常閉端相連接；當(dāng)繼電器線包加上控制電壓時(shí)，繼電器吸合，動(dòng)觸點(diǎn)與常開端相連接。實(shí)驗(yàn)架中，使用了