FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪说明书.docx

用集成霍尔元件测定亥姆霍FB520三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪实 验 讲 义杭州精科仪器用集成霍尔元件测定载流圆线圈与亥姆霍兹线圈磁场在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量，测量磁场的方式有很多，如冲击电流 计法、霍耳效应法、核磁共振法、天平法、电磁感应法等等，本实验介绍霍尔效应法测磁 场的方式，它具有测量原理简单，测量方式简便及测试灵敏度较高等优势实验目的】1. 了解用霍尔效应法测量磁场的原理，把握FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪的利 用方式2. 了解载流圆线圈的轴向磁场和径向磁场散布情形3. 测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈的轴线上的磁场散布4. 当两平行线圈的间距改变成d二R/2和d二2R时,测定其轴线上的磁场散布实验原理】1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场(1)载流圆线圈磁场依照毕奥-萨伐尔定律一半径为R，通以直流电流I的圆线圈，其轴线上离圆线圈中 心距离为x米处的磁感应强度的表达式为：(1)卩• N • I • R20 02(R2 + X2)3/2式中为圆线圈的匝数，X为轴上某一点到圆心O'的距离，卩二4冗x 10-7H/m, 0 0磁场的散布图如图1所示，是一条单峰的关于Y轴对称的曲线。

2)亥姆霍兹线圈O O图1载菰圆线圈的磁场分布图2亥姆霍兹线圈的暉场分布两个完全相同的圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流I，线圈间距等于线圈半径(即d二R ）时，从磁感应强度散布曲线能够看出，（理论计算也能够证明）：两线圈合磁场在 中心轴线上（两线圈圆心连线）周围较大范围内是均匀的，如此的一对线圈称为亥姆霍兹 线圈，如图2所示从散布曲线能够看出，在两线圈中心连线一段，显现一个平台，这说 明该处是匀强磁场根据霍尔效应能够明白，当霍尔探头放入磁场中时，由于运动电荷受到洛伦兹力作 用，电流方向会发生偏离，在某两个端面之间产生的电势差，通过电势差的大小就能够够 测量磁场的大小当亥姆霍兹线圈两线圈通有方向一致的电流时，两线圈形成的磁场方向 也一致，两线圈之间就形成均匀磁场，霍尔探头在该区域运动时其测量的数值几乎不变 当然两线圈通上相反方向电流，那么其间的磁场能够相互抵消为零由理论计算可知，若是Z是亥姆霍兹线圈中心轴线上离中心O点的距离，那么该点的 磁感应强度：B 二 1 卩• N • I • R2<2 o由该公式推论，当Z二0时，即亥姆霍兹线圈中心轴中心点O的磁感应强度为:卩• N • I 8(3) 0 x R 5 3/2图3是亥姆霍兹线圈两线圈距离距离等于R/2, R, 2R时线圈中心轴线上的磁感应强度 的散布特性曲线，从图中能够看出几种特性曲线的不同特点。

202 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 X图弐亥姆霍基线圈间距改变时.磁场分布曲线【实验仪器】FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪一.FB520三维线圈磁场实验信号源仪器背部为FB520交流电源插座和电源开关，和配FB520三维亥姆霍兹线圈磁场实需昭■■斯黑* h a■ K s m xt—H■斗01_・"*呷图4 FBF20型三维亥姆霍兹线圈鶴场实验仪实物照片验仪测试架的专用插座仪器主机见图41. 励磁电流I输出：直流0〜0.500A恒流输出持续可调，接到测试架的励磁线圈，提M供实验用的励磁电流励磁电流I输出端连接到测试架线圈时，能够选择接单个线圈或 M双线圈接双线圈时，将两线圈串联，即一个线圈的黑接线柱与另一线圈的红接线柱相连 另外两头子接至实验仪的I端M2. 由集成霍尔元件组成的微特斯拉计：每台仪器在出厂时，工作电流IS及集成霍尔元件 输出信号放大器都已配套调剂好，只要用专用四芯连接线把实验仪与测试架连接测量磁 感应强度B可直接读数利用前，在仪器位置方向确信后，在励磁电流为零时，用调零旋 钮调零以排除地磁场及实验环境周围的杂散磁场对实验的阻碍提示：集成霍尔元件 工作电流出厂时已配对调好，若是把实验仪与测试架互换，将造成测试数据不准，乃至显 现无法调零的情形，这时只要注意按仪器上的编号更正即可）。

3•换向开关：用于改变磁场线圈励磁电流1的方向M二.FB520三维亥姆霍兹线圈磁场测试架（本测试架的特点是实现三维靠得住调剂）图占阳52型三维亥辑霍兹钱圈磷场实验仪测试架照片1．亥姆霍兹线圈：如图 5所示，两个圆线圈（1）、（2）安装于底板（3）上，其中圆线圈（1）为固定线圈， 圆线圈（2）能够沿底板移动，从而调剂两线圈的间距，移动范围为：d二50〜200mm , 操作时，只需松开圆线圈（2）底座上的紧固螺钉，就能够够用双手均匀地移动圆线圈（2）， 从而改变两个圆线圈的间距，实验架上设有 R, 2R, R / 2等位置标志，移到所需的位置 后，再拧牢牢固螺钉励磁电流通过圆线圈后面的插孔接入，能够做单个线圈或双线圈的 磁场散布2．三维可移动装置：见图 5，滑块（10）能够沿导轨（5）左右移动，配合铜杆（8）的位置调剂，能够改变集 成霍尔元件（4）X方向的位置坐标，移动距离：士 200mm移动时，使劲要轻，速度 不可过快，若是滑块移动时阻力太大或太松，那么应适当调剂滑块上的螺钉（ 9）的松紧 度；左右（即X方向）移动不能阻碍前后方向即Y方向位置；必要时，能够锁紧导轨5） 右端的紧定螺钉（13）,避免Y方向位置发生改变。

沿Y方向轻推滑块（10）,让导轨（5） 沿导轨（6）均匀移动，可使集成霍尔元件Y方向的位置坐标转变，移动距离：士 80mm ； 这时，导轨（5）右端的紧定螺钉（13）应处于松开状态注意：这时不可左右方向使劲， 以避免改变集成霍尔元件X方向的位置松开紧固螺钉（12）,铜杆（8）能够沿导轨（7） 上下移动，移到所需的位置后，再拧牢牢固螺钉（12），用于改变霍尔元件Z方向的位置 坐标，移动距离：士 80mm在进行X方向位置移动时，一样将Z方向标尺置于0点，如 此保证集成霍尔元件正处于线圈中心轴线上实验装置在X,Y,Z方向均配有位置标尺， 是三维磁场测量系统，能够方便地测量空间磁场的三维坐标3．集成霍尔元件：装置采纳优质95A集成霍尔元件，特点是灵敏度高，温度漂移小，作为微特斯拉计的 传感器是超级好的选择能够对三维磁场散布进行准确测量集成霍尔元件（ 4）安装于 铜管（8）的左前端，导线从铜管中引出，连接到测试架后面板上的专用插座改变圆线圈（2）的位置进行磁场散布测量实验时，为了读数方便，应该改变铜管（8） 的位置松开紧固螺钉（11），移动铜管至R, 2R, R/2的位置，对应于圆线圈（2）在 R, 2R, R/2的位置，如此做的优势是移动滑块（10）时，X方向的读数是以0位置为 对称的。

若是不改变铜管（8）的位置，那么应付X方向位置读数进行修正实验内容】1 •测量单个载流圆线圈（1）轴线上（X方向）磁场B］的散布：① 用连接线将励磁电流 I 输出端连接到圆线圈（1），霍尔传感器探头的信号线连接到测 M试架后面板的专用四芯插座紧固滑块（10），再拧牢牢固螺钉（12）② 开机前，预热10分钟，调剂FB520型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场实验仪的电流调剂， 使励磁电流I = 0.000A ,圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零（目的是排M除地磁场和其他环境杂散干扰磁场和不平稳电势的阻碍），如此特斯拉计就校准好了注 意:若是测量进程中改变了测试架位置方向,需重复调零步骤③ 调剂励磁电流IM = 0.500A，移动X方向导轨滑块（10），以10mm为距离距离测量 单个线圈通电时轴线上各点的磁感应强度，将数据记录在表1,即圆线圈轴线上B的散布 图，并绘出B ~X曲线1表 1 B ~X 关系 （I =±0.500A）载流圆线圈（1）轴线上磁场散布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心）1M表 2 B ~X 关系 （I =±0.500A） 2M 载流圆线圈（1）轴线上磁场散布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心）轴向距离X （mm）磁感应强度B 实（mT）B 实(mT)B /0 • N0 • I • R2 (mT) 理 2(R2 + X2)3/2相对误差 %（2） 将线圈（1）, （2）同向串联，并通入励磁电流I 。

M（3） 与前相同，开机前预热10分钟，调剂FB520型亥姆霍兹线圈磁场实验仪的电流调剂, 使励磁电流I = 0.000A，圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零M（4） 调剂励磁电流I = 0.5A，移动X方向导轨，以10mm为距离距离测量通电亥姆霍兹M线圈轴线上磁感应强度记录数据填入表3,并绘出B ~X曲线R（1）先松开线圈（2）的固定螺丝，把两线圈的距离调剂到d二R二100mm，组成亥姆霍 兹线圈要达到如此的设置只需要将铜管位置到R处，Y方向导轨（5），Z方向导轨（7） 都置于（0），固定螺丝，如此就能够够将霍尔位于亥姆霍兹线圈的轴线上轴向距离X （mm）磁感应强度B实何）B 实(mT)B 0 • N0 •1 • R2 (mT)理 2(R2 + X2)3/2相对误差 %+1M-1M-200-50-40-30-20-100表3 Br~X 关系（IM =±0-500A）载流圆线圈（1）轴线上磁场散布的数据记录（坐标原点设在圆线圈中心）4．比较与验证磁场叠加原理：将表1和表2中的磁场强度B , B数据按X方向的坐标位置相加，取得B + B，将1 2 1 2B , B数据及B + B数据绘制在一路并与表3的br数据比较。

1 2 1 2 R（注：以下内容选做）：*5．测量两线圈不同距离时两线圈轴线上各点的磁感应强度：⑴ 移动载流圆线圈⑵到载流圆线圈（1）距离为50mm即d二R/2的地址，铜管位置也 到R/2处，重复前叙内容，并绘出B ~X曲线表格自拟R2（2） 移动载流圆线圈（2）到载流圆线圈（1）距离为200mm即d二2R地址，铜管位置也到 便2R处，重复前叙内容，并绘出B〜X曲线表格自拟2R（3） 将一路绘出B ~X图，B ~X图和B ~X图，并进行比较，分析总结出通电R2 2R r线圈轴线上各点的磁感应强度的散布规律6．测量亥姆霍兹线圈 Y 方向上磁感应强度的散布：移动载流圆线圈⑵与载流圆线圈（1）距离为100mm，铜管位置到'R '处，X向导 轨（10）, Z向导轨（7），均置零调剂励磁电流I = 0.5A，移动Y方向导轨，以每M10mm为距离距离测量一个数据，方式与前类似，绘出B〜Y曲线表格自拟7.测量亥姆霍兹线圈Z方向上磁感应强度的散布：线圈（2）,线圈（1）的距离，铜管位置均不变，X方向导轨（10）, Z方向导轨（5）, 均置零调剂励磁电流，I = 0.5A，移动Z方向导轨，以每10mm为距离距离测量M一个数据，方式与前类似，绘出B〜Z曲线。

表格自拟8．测量亥姆霍兹线圈任意位置上磁感应强度的散布：依照前叙内容，测量线圈（2），线圈（1）的不同距离，任意点的磁感应强度，需要相应调剂X, Y, Z方向的导轨，置集成霍尔传感器于所需要测量的位置上附录】FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪利用说明书．用途及特点：。