電磁感應(yīng)法測交變磁場 - 浙江大學物理實驗教學中心.doc

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1、用霍爾法測直流圓線圈與亥姆霍茲線圈磁場(FB511型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀)在工業(yè)、國防、科研中都需要對磁場進行測量，測量磁場的方法有不少，如沖擊電流計法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法、天平法、電磁感應(yīng)法等等，本實驗介紹霍爾效應(yīng)法測磁場的方法，它具有測量原理簡單，測量方法簡便及測試靈敏度較高等優(yōu)點?！緦嶒?zāi)康摹?．了解用霍爾效應(yīng)法測量磁場的原理，掌握型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的使用方法。2．了解載流圓線圈的徑向磁場分布情況。3．測量載流圓線圈和亥姆霍茲線圈的軸線上的磁場分布。4．兩平行線圈的間距改變?yōu)闀r,測定其軸線上的磁場分布?！緦嶒炘怼?．載流圓線圈與

2、亥姆霍茲線圈的磁場（1）載流圓線圈磁場一半徑為，通以直流電流的圓線圈，其軸線上離圓線圈中心距離為米處的磁感應(yīng)強度的表達式為:　　　　　　　　　（1）式中為圓線圈的匝數(shù)，為軸上某一點到圓心的距離，磁場的分布圖如圖1所示，是一條單峰的關(guān)于軸對稱的曲線。本實驗取在圓心，可算得磁感應(yīng)強度為：（2）亥姆霍茲線圈兩個完全相同的圓線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，線圈間距等于線圈半徑時，從磁感應(yīng)強度分布曲線可以看出，（理論計算也可以證明）：兩線圈合磁場在中心軸線上（兩線圈圓心連線）附近較大范圍內(nèi)是均勻的，這樣的一對線圈稱為亥姆霍茲線圈，如圖2所示。從分布曲線可以看出，在兩

3、線圈中心連線一段，出現(xiàn)一個平臺，這說明該處是勻強磁場，這種勻強磁場在科學實驗中應(yīng)用十分廣泛。比如，大家熟悉的顯像管中的行偏轉(zhuǎn)線圈和場偏轉(zhuǎn)線圈就是根據(jù)實際情況經(jīng)過適當變形的亥姆霍茲線圈。2．利用霍爾效應(yīng)測磁場的原理霍爾元件的作用如圖3所示.若電流流過厚度為的矩形半導體薄片，且磁場垂直作用于該半導體,由于洛倫茲力作用電流方向會發(fā)生改變，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，在薄片兩個橫向面、之間產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢。該電勢同時垂直于電流及磁場方向?；魻栯妱莶钍沁@樣產(chǎn)生的：當電流通過霍爾元件（假設(shè)為型）時，空穴有一定的漂移速度，垂直磁場對運動圖3電荷產(chǎn)生一個洛侖茲力：（2）式中

4、為電子電荷，洛侖茲力使電荷產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來，產(chǎn)生一個橫向電場，直到電場對載流子的作用力與磁場作用的洛侖茲力相抵消為止，即（3）這時電荷在樣品中流動時不再偏轉(zhuǎn)，霍爾電勢差就是由這個電場建立起來的。如果是型樣品，則橫向電場與前者相反，所以型樣品和型樣品的霍爾電勢差有不同的符號，據(jù)此可以判斷霍爾元件的導電類型。設(shè)型樣品的載流子濃度為，寬度為，厚度為，通過樣品的電流：，則空穴的速度：代入（3）式有（4）上式兩邊各乘以，便得到（5）其中稱為霍爾系數(shù)，在應(yīng)用中一般寫成：（6）比例系數(shù)稱為霍爾元件的靈敏度，單位為。一般要求愈大

5、愈好。與載流子濃度成反比，半導體內(nèi)載流子濃度遠比金屬載流子濃度小，所以都用半導體材料作為霍爾元件，與材料片厚成反比，為了增大值，霍爾元件都做得很薄，一般只有厚。由式（5）可以看出，知道了霍爾片的靈敏度，只要分別測出霍爾電流及霍爾電勢差就可以算出磁場的大小，這就是霍爾效應(yīng)測量磁場的原理。【實驗儀器】型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀1臺，測試架1臺?！緦嶒瀮?nèi)容】1．測量載流圓線圈軸線上磁場的分布：(1)按載流圓線圈的要求，把型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀與測試架正確連接（由于每只集成霍爾傳感器的參數(shù)不可能完全一樣，所以每套儀器的集成霍爾傳感器探頭與微特斯拉計是編號的

6、，出廠時已配對調(diào)好切不可互換，否則會造成磁場測量結(jié)果不準確）。集成霍爾傳感器探頭固定在測試架移動平臺上。出廠時霍爾片平面已調(diào)到與線圈軸線垂直,調(diào)節(jié)型霍爾法亥姆霍茲線圈磁場實驗儀的電流調(diào)節(jié)，使勵磁電流,在線圈磁場強度等于零的條件下，把微特斯拉計調(diào)零（目的是消除地磁場和其他環(huán)境雜散干擾磁場以及不平衡電勢的影響），這樣微特斯拉計就校準好了。（注意:如果測量過程中改變了測試架方向,需重復(fù)調(diào)零步驟。）(2)型磁場實驗儀測試架左邊的線圈為固定線圈，固定在刻度尺零點（即處），把右邊的可動線圈移動到合適的位置（中心作為坐標原點），方法是：先松開固定線圈用的兩個滾花螺栓，把線圈

7、平行移動，使線圈位于測試平臺水平刻度尺為處(即處)并固定可動線圈。(3)使勵磁電流,以圓電流線圈中心為坐標原點，每隔測一個值，測量過程中注意保持勵磁電流值不變。(4)把測試數(shù)據(jù)記錄到表中。在方格紙上畫出曲線。2．測量亥姆霍茲線圈軸線上磁場的分布：(1)參照上面步驟，移動線圈使二線圈間距(即處)，，這時兩個圓線圈中心連線的幾何中心在測試平臺水平刻度尺處；(2)把兩個圓電流線圈串聯(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)電流輸出，使勵磁電流。以兩個圓線圈中心連線上的中點為坐標原點，每隔測一個值；(3)把測試數(shù)據(jù)記錄到表中。在方格紙上畫出曲線。3．測

8、量載流圓線圈沿“徑向”的磁場分布:按實