亥姆霍茲線圈的空間磁場測量小論文

　　摘 要：分析了亥姆霍茲線圈空間磁場的分布,依據(jù)畢一薩定律,并采用霍爾效應(yīng)法；采用美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”方法等探測亥姆霍茲線圈空間磁場,得到空間磁場均勻區(qū)的大小、形狀及范圍.

　　關(guān)鍵詞：畢一薩定律；霍爾效應(yīng)法；亥姆霍茲線圈空間磁場；PASCO

　　一、亥姆霍茲線圈空間磁場測試的目的和意義

　　亥姆霍茲線圈磁場與永久磁鐵相比具有一定的可調(diào)性和裝置輕巧,閑置時(shí)不產(chǎn)生環(huán)境磁場的優(yōu)點(diǎn).所以在教學(xué)、生產(chǎn)和科研中,當(dāng)試驗(yàn)樣品所需均勻磁場不太強(qiáng)(幾高斯到幾十高斯)時(shí),就可以采用亥姆霍茲線圈.由此就必須先知道亥姆霍茲線圈磁場的均勻性區(qū)域有多大并能計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值。亥姆霍茲線圈是一對相同的、共軸的、彼此平行的各密繞N匝線圈的圓環(huán)電流。當(dāng)它們的間距正好等于其圓環(huán)半徑R時(shí),這種圓形載流線圈稱為Helmholtz線圈1,如圖1所示。

　　二、亥姆霍茲線圈空間磁場測量

　　2.1霍爾效應(yīng)法測量亥姆霍茲線圈空間磁場均勻區(qū)

　　將通有電流的導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片(霍爾片)置于磁場中，并使垂直到磁場方向，由一于洛侖茲力的作用，載流子將向薄片側(cè)邊積聚，從而使兩側(cè)邊形成一定的電勢差這一現(xiàn)象是物理學(xué)家霍爾首先在金屬薄片中發(fā)現(xiàn)的,故稱為霍爾效應(yīng)，兩側(cè)邊形成的電勢差稱為霍爾電壓【2】。

　　2.1.1霍爾效應(yīng)法測量原理

　　霍爾電壓的極性取決于載流子(運(yùn)動電荷)的荷電性.實(shí)驗(yàn)表明:磁場不太強(qiáng)時(shí)，霍爾電壓的大小與所通電流I以及磁感應(yīng)強(qiáng)B滿足如下關(guān)系【3】：

　　(2.1)

　　稱為霍爾元件的靈敏度,取決于元件的幾何尺寸及材料的.性質(zhì)，表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍爾電動勢的大小，其值可由實(shí)驗(yàn)定出。由(2.1)得：

　　(2.2)

　　當(dāng)螺線管通以穩(wěn)恒電流I把霍爾元件放人螺線管中軸線上,若測出其霍爾電壓,便可由(2.2)式得出螺線管軸線上磁場的分布。要想知道亥姆霍茲線圈空間的磁場，原則是測量出線圈空間的全部磁場，但是由于線圈的對稱性，所以只要測量出線圈一半的空間或1/4空間即可。測量的位置為線圈軸截面(垂直于線圈軸線的平面)的磁場和一些特殊點(diǎn)。

　　2.1.2霍爾效應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)儀器組裝及測量

　　（1）固定好亥姆霍茲線圈.線圈半徑為R，在線圈的兩側(cè)分別放兩個(gè)升降架，將放有霍爾片的導(dǎo)軌搭在升降架上，并穿過兩個(gè)線圈；（2）確定中心位置，通過直尺的測量使升降架平面中線和亥姆霍茲線圈豎直方向的中軸線在一條直線上；

　　（3）將導(dǎo)軌移到升降架表面的中線上，調(diào)節(jié)兩升降架的高度，使霍爾片正好處于兩亥姆霍茲線圈軸線上；（4）將導(dǎo)軌移到升降架邊緣從上到下每隔0.5cm移動一次，霍爾片從一個(gè)線圈移到另一個(gè)線圈，間隔為0.5cm記錄亥姆霍茲線圈軸面(通過線圈軸線的平面)上的數(shù)據(jù)(霍爾電勢差)；（5）對線圈空間磁場分布的測量，采用特殊點(diǎn)法具體點(diǎn)在后面給出；（6）實(shí)驗(yàn)時(shí)取勵(lì)磁電流為I，霍爾片工作電流為IS。

　　這里要求得到的亥姆霍茲線圈中心磁場強(qiáng)度大小相對偏差在2%，即霍爾電勢差UH有一個(gè)范圍，因?yàn)閁H=KHISB，已知IS、KH，所以亥姆霍茲線圈中心區(qū)域的場強(qiáng)大小是，即可確定出均勻區(qū)的場強(qiáng)范圍。

　　2.1.3測量結(jié)果與分析

　　（1）、由實(shí)驗(yàn)測得霍爾電壓UH還有以及電流IS、kH得到該亥姆霍茲線圈空間磁場均勻區(qū)域的場強(qiáng)大小。

　　（2）、由具體測量數(shù)據(jù)便可繪出亥姆霍茲線圈空間磁場，偏差在2%，均勻性區(qū)域的形狀為一個(gè)不規(guī)則的圖形，軸面的圖形見圖2。

　　（3）、亥姆霍茲線圈半徑為R，匝數(shù)為N，并且設(shè)線圈軸向中心為原點(diǎn)，則在r<0.30R，-0.33R<X<0.33R區(qū)域內(nèi)。即圖2曲線圍成的區(qū)域，繞軸旋轉(zhuǎn)一周所掃過的空間，各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不超過中心處的2%，該空間可以作為均勻磁場，方向平行于軸線。如果對均勻區(qū)有更高的要求，則可重新確定偏差范圍來找到磁場的均勻區(qū)域。

　　2.2美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”方法

　　2.2.1“科學(xué)工作室”方法原理

　　根據(jù)畢奧—薩伐爾定律(2.3)

　　及磁場迭加原理【4】，可以從理論上計(jì)算出亥姆霍茲線圈軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為(2.4)

　　式中x為兩線圈之間任一點(diǎn)的位置。當(dāng)線圈通有電流I時(shí),兩線圈磁場合成如圖3 所示。

　　2.2.2 亥姆霍茲線圈磁場測量

　　采用美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”重新設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn),能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)定量地顯示亥姆霍茲線圈磁場的分布規(guī)律。只要把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置和相應(yīng)傳感器結(jié)合,接到數(shù)據(jù)采集器上,就可以在電腦顯示屏上同步顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度及其位置隨時(shí)間變化的過程。其特點(diǎn)是,對于一些瞬間變化地物理過程,能夠提供過程變化地真實(shí)數(shù)據(jù),并擬合成曲線,由此進(jìn)一步拓寬了對物理過程探究的空間。采用“科學(xué)工作室”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)地流程

　　具體的操作是：將兩個(gè)線圈(半徑為10.5cm，線圈的匝數(shù)為200匝)安裝到亥姆霍茲底座上。調(diào)整兩個(gè)線圈間的距離直到和線圈半徑相等，并確定這兩個(gè)線圈是互相平行的，把第二個(gè)線圈與第一個(gè)線圈串聯(lián)。越過線圈連上直流電源，連接電源的電線不要從線圈內(nèi)部穿過。將數(shù)字電表、電源和線圈串聯(lián)在一起(接線時(shí)要注意讓兩通電線圈的磁場方向一致)，測量通過線圈的電流。如圖5。

　　將光學(xué)導(dǎo)軌穿過線圈,并在導(dǎo)軌兩端用支撐桿將導(dǎo)軌支撐起來。將導(dǎo)軌置于水平位置,調(diào)整導(dǎo)軌高度直到沿著導(dǎo)軌表面推動磁場傳感器探頭可以恰好通過線圈的中心。用支架將轉(zhuǎn)動傳感器固定在導(dǎo)軌上。剪一條足以從導(dǎo)軌垂到地面的細(xì)線。細(xì)線的一端拴在磁場傳感器的一端,另一端穿過轉(zhuǎn)動傳感器的中滑輪并系上一個(gè)20克的重物。將磁場傳感器放置在導(dǎo)軌中間,調(diào)整轉(zhuǎn)動傳感器的位置讓細(xì)線對準(zhǔn)其中滑輪。將磁場傳感器插在科學(xué)工作室500的A通道。將轉(zhuǎn)動傳感器插在1,2通道。打開直流電源,調(diào)整輸出電流,當(dāng)通過線圈電流為0.25安培時(shí),關(guān)閉直流電源開關(guān)。

　　打開Datastudio程序中名為“線圈的磁場”的文件。將磁場傳感器開關(guān)設(shè)置為軸向，并設(shè)置乘以十倍增益,實(shí)驗(yàn)開始前電源關(guān)閉,將磁場傳感器放置在導(dǎo)軌中部并與第一個(gè)線圈保持大約5厘米的位置，按下消磁按鈕。

　　打開直流電源，在Datastudio中點(diǎn)擊“開始”按鈕開始采集通電線圈的磁場及其位置信號,沿著導(dǎo)軌中心緩慢移動磁場傳感器,移動過程中要保持探頭與導(dǎo)軌平行。當(dāng)傳感器穿過線圈,并離開第二線圈5厘米時(shí),點(diǎn)擊“停止”即可獲得亥姆霍茲線圈磁場與其位置的關(guān)系曲線。圖6為一個(gè)具體實(shí)例中亥姆霍茲線圈磁場與其位置的關(guān)系曲線。

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