FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪说明书

1、用集成霍尔元件测定亥姆霍兹线圈磁场（ fb520型 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520fb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r2d2/rd

2、和时, 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: 2/322200)xr(2rinb?（1）式中0n为圆线圈的匝数，x为轴上某一点到圆心o的距离，,m/h10470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rd) 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

3、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：?

4、2322232220z2rrz2rrrin21b（2）由该公式推论，当0z时，即亥姆霍兹线圈中心轴中心点o的磁感应强度为：230058rinb?（3）图 3 是亥姆霍兹线圈两线圈距离距离等于r2,r,2/r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。【实验仪器】520fb型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪。一520fb三维线圈磁场实验信号源仪器背部为520fb交流电源插座和电源开关，和配520fb三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架的专用插座。仪器主机见图4 1励磁电流mi输出： 直流a500.00恒流输出持续可调，接到测试架的励磁线圈，提供实验用的励磁电流。励磁电

5、流mi输出端连接到测试架线圈时，能够选择接单个线圈或双线圈。 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mi端。2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si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

6、号更正即可）。3换向开关：用于改变磁场线圈励磁电流mi的方向。二520fb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）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：mm20050d，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2/r,r2,r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

7、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：mm200。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：mm80；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

8、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：mm80。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z,y,x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a95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

9、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2/r,r2,r的位置，对应于圆线圈（2）在2/r,r2,r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1b的散布： 用连接线将励磁电流mi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） 。 开机前，预热10 分钟，调剂52

10、0fb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a000.0im, 在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零 （目的是排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。 ） 调剂励磁电流a500.0im，移动x方向导轨滑块（10）, 以mm10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xb1曲线。表1xb1关系（a500.0im）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)mm(x磁感应强度

11、)mt(b实)mt(b实)mt()xr(2rinb2/322200?理相对误差%mimi-200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 2测量单个载流圆线圈2 轴线上（ x方向）磁场2b的散布：表 2 xb2关系（a500.0im）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)mm(x磁感应强度)mt(b实)mt(b实)mt()xr(2rinb2/322200?理相对误差%mimi-200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 3测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场rb的散布 ：

12、(1) 先松开线圈（ 2）的固定螺丝，把两线圈的距离调剂到mm100rd，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。(2) 将线圈（ 1） ， （2）同向串联，并通入励磁电流mi。(3) 与前相同， 开机前预热10 分钟，调剂520fb型亥姆霍兹线圈磁场实验仪的电流调剂，使励磁电流a000.0im, 在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零。(4) 调剂励磁电流a5.0im，移动x方向导轨 , 以mm10为距离距离测量通电亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度。记录数据填

13、入表3，并绘出xbr曲线。表 3 xbr关系（a500.0im）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)mm(x磁感应强度)mt(b实)mt(b实)mt()xr(2rinb2/322200?理相对误差%mimi-200 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 200 4比较与验证磁场叠加原理：将表1和表 2 中的磁场强度21b,b数据按x方向的坐标位置相加，取得21bb，将21b,b数据及21bb数据绘制在一路并与表3 的rb数据比较。（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：(1)

14、 移动载流圆线圈(2) 到载流圆线圈 (1) 距离为mm50即2/rd的地址， 铜管位置也到2/r处，重复前叙内容，并绘出xb2r曲线。表格自拟。(2) 移动载流圆线圈(2) 到载流圆线圈(1) 距离为mm200即r2d地址，铜管位置也到便r2处，重复前叙内容，并绘出xbr2曲线。表格自拟。(3) 将一路绘出xb2r图，xbr2图和xbr图，并进行比较，分析总结出通电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(2) 与载流圆线圈(1) 距离为mm100，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a5.

15、0im，移动y方向导轨，以每mm10为距离距离测量一个数据，方式与前类似，绘出yb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，a5.0im，移动z方向导轨，以每mm10为距离距离测量一个数据，方式与前类似，绘出zb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z,y,x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】520fb型三维亥姆霍兹线

16、圈磁场实验仪利用说明书一用途及特点：1用途：520fb型三维亥姆霍兹线圈磁场测量实验仪设计有持续可调稳压、恒流电源。磁场测定探头采纳高灵敏度a95型集成霍尔传感器，该仪器可用于研究载流圆线圈磁场散布、亥姆霍兹线圈磁场散布。520fb型三维磁场实验仪由二部份组成：(1) 磁场实验仪，(2) 磁场测试架。2特点：(1) 霍尔传感器位置可做z,y,x三维移动，从而对亥姆霍兹线圈三维磁场散布情形进行测量和分析研究。(2) 励磁电源能够提供持续可调的励磁电流，并用数字式电流表精准指示。(3) 两个圆线圈，按设计要求，右边一个为固定线圈，左侧一个线圈能够沿导轨平移，以实现改变线圈间距，知足实验需要。 例如

17、使间距别离为：r2d2/rd,rd及等。(4) 采纳高灵敏度a95型集成霍尔传感器作为磁场探头(注意：微特斯拉计的探头每一台都是专配的，需按编号配套利用，不得互换，不然将不能保证测量数据的准确性)。(5) 微特斯拉计设计有补偿电路，用以排除地磁场及环境杂散磁场对磁场实验产生的干扰。（注：仪器位置改变时，地磁场对探头阻碍发生转变，应从头对微特斯拉计进行调零）。二要紧性能指标：1稳压恒流源输出电流：单个圆线圈可达a900.00，两个圆线圈串联时大于a400.0且持续可调。2磁场测试架机械结构：其中左侧的一个线圈的位置能够调剂，可知足实验中改变线圈间距的需要： 在rd、2/rd、r2d等特定位置，测

18、试架和导轨上均刻有标志线，能够方便地确信线圈位置。3测试传感器调剂范围：轴向：cm0.20径向：水平方向cm0.8，垂直方向cm0.84圆线圈参数：线圈平均半径m100.0r，单只匝数：匝400；许诺最大励磁电流：ma10005a95集成霍尔传感器：线性测量范围：mt67mt67，工作电压v5 .55.4dc。灵敏度：t/v)3 .13.31(，线性误差1%，温度误差c/%06.06微特斯拉计显示精度：t2，分辨率：t17电流表显示精度：ma28仪器的工作环境：大气压强为：kpa10686, 环境温度：c400, 相对湿度：%80259外形尺寸（长宽高）：520fb型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪：mm120260320520fb型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架：mm270275800三仪器结构 ：仪器由520fb型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪和测试架两部份组成。参见图4、图 5 。1520fb型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场实验仪：(1) 由持续可调式直流励磁恒流源，用数字式电流表指示励磁电流，用钮子式双刀双掷开关改变励磁电流的方向。(2) 提供a95型集成霍尔传感器工作电源，接收传感器信号加以放大处置，对地磁场