6.用霍爾效應測量螺線管軸向磁場實驗報告模板 - 下載本文

實驗八 用霍爾效應測量螺線管磁場

用霍爾傳感器測量通電螺線管內勵磁電流與輸出霍爾電壓之間關系,證明霍爾電勢差與螺線管內磁感應強度成正比;用通電長直通電螺線管軸線上磁感應強度的理論計算值作為標準值來校準或測定霍爾傳感器的靈敏度,熟悉霍爾傳感器的特性和應用;用該霍爾傳感器測量通電螺線管內的磁感應強度與螺線管軸線位置刻度之間的關系,作磁感應強度與位置刻線的關系圖,學會用霍爾元件測量磁感應強度的方法。

一、實驗目的

1.了解霍爾效應現象,掌握其測量磁場的原理。

2.學會用霍爾效應測量長直通電螺線管軸向磁場分布的方法。

二、實驗原理

圖1所示的是長直螺線管的磁力線分布,有圖可知,其內腔中部磁力線是平行于軸線的直線系,漸近兩端口時,這些直線變為從兩端口離散的曲線,說明其內部的磁場在很大一個范圍內是近似均勻的,僅在靠近兩端口處磁感應強度才顯著下降,呈現明顯的不均勻性。根據電磁學畢奧-薩伐爾(Biot?Savat)定律,通電長直螺線管線上中心點的磁感應強度為: B中心?圖1

??N?IML?D22 (1)

理論計算可得,長直螺線管軸線上兩個端面上的磁感應強度為內腔中部磁感應強度的1/2:

11??N?IM (2)

B端面?B中心??22L2?D2式中,?為磁介質的磁導率,真空中的磁導率μ0=4π×10-7(T·m/A),N為螺線管的總匝數,IM為螺線管的勵磁電流,L為螺線管的長度,D為螺線管的平均直徑。 附加電勢差的消除

應該說明,在產生霍爾效應的同時,因伴隨著多種副效應(見附錄),以致實驗測得的電壓并不等于真實的VH值,而是包含著各種副效應引起的附加電壓,因此必須設法消除。根據副效應產生的機理可知,采用電流和磁場換向的對稱測量法,基本上能夠把副效應的影響從測量的結果中消除,具體的做法是Is和B(即lM)的大小不變,并在設定電流和磁場的正、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′兩點之間的電壓V1、 V2、V2、和V4,即 +Is +B V1 +Is -B V2 -Is -B V3 -Is +B V4

然后求上述四組數據V1、V2、V3和V4 絕對值的平均值,可得:

V?V2?V3?V4 (3) V?14通過對稱測量法求得的VH,雖然還存在個別無法消除的副效應,但其引入的誤差甚小,可以略而不

圖2 L

計。

三、實驗儀器

1.FB510型霍爾效應實驗儀;

2.FB510型霍爾效應組合實驗儀(螺線管)。 技術性能:

1.螺線管線圈:匝數為N=2550匝,長度L=260mm,平均直徑D=35mm, 5.霍爾傳感器:由GaAs 制成,霍爾靈敏度:190~230(mV/mA·T) 7.三組換向開關:由繼電器和按鈕開關組成,位置由發 光二極管指示。 8.實驗儀提供二組穩壓恒流源

勵磁電源:電壓27V,電流值由三位半數字式電流表指示。 螺線管線圈:IM?0~1000mA,

勵磁電流(mA) 螺線管線圈磁場強度(mT) 圖3

磁場線圈中心磁場強度

100 1.22 200 2.44 300 3.67 400 4.88 500 6.11 連續可調。

9.總電源: 220?10%, 50Hz交流市電,功耗 30VA 四、實驗內容和步驟

1. 把FB510型霍爾效應實驗儀與FB510型霍爾效應組合實驗儀(螺線管)正確連接。把勵磁電流接到螺

線管IM輸入端。把測量探頭調節到螺線管軸線中心,即刻度尺讀數為13.0cm處,調節恒流源2,使Is=4.00mA,按下(VH/Vs)(即測VH),依次調節勵磁電流為IM=0~±500mA,每次改變±50mA, 依此測量相應的霍爾電壓,并通過作圖證明霍爾電勢差與螺線管內磁感應強度成正比。

2. 放置測量探頭于螺線管軸線中心,即13.0cm刻度處,固定勵磁電流±500mA,調節霍爾工作電流為:

Is=0~±4.00mA,每次改變±0.50mA,測量對應的霍爾電壓VH,通過作圖證明霍爾電勢差與霍爾電流成正比。

3. 調節勵磁電流為500mA,調節霍爾電流為4.00mA,測量螺線管軸線上刻度為X=0.0cm~13.0cm,每次

移動1cm,測各位置對應的霍爾電勢差。(注意,根據儀器設計,這時候對應的二維尺水平移動刻度讀數為: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值的刻度位置。與理論值比較,計算相對誤差。按給出的霍爾靈敏度作磁場分布B~X圖。 4. 用螺線管中心點磁感應強度理論計算值,校準或測定霍爾傳感器的靈敏度。

【注意事項】

1. 勵磁線圈不宜長時間通電,否則線圈發熱,會影響測量結果。

2. 霍爾元件有一定的溫度系數,為了減少其自身發熱對測量影響,實驗時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,單位長度的匝數不相同或繞制不均勻,在實驗中會出現什么情況?在繪制B~X分布圖時,電磁學上的端面位置是否與螺線管幾何端面重合?

【附錄】

一、繼電器換向開關的使用說明:

單刀雙向繼電器的電原理如圖6所示。當繼電器線包

圖6

2

不加控制電壓時,動觸點與常閉端相連接;當繼電器線包加上控制電壓時,繼電器吸合,動觸點與常開端相連接。

實驗架中,使用了三個雙刀雙向繼電器組成三個換向開關,換向由接鈕開關控制。

當未按下按鈕開關時,繼電器線包不加電,常閉觸點連接;按下按鈕開關時,繼電器吸合,常開觸點相連接,實現連接線的轉換。由此,通過按下、釋放按鈕開關,實現繼電器相連的電路的換向功能。

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