工程电磁场实验指导材料

1、工程电磁场实验指导材料工程电磁场实验指导讲义实验一 用模拟法测绘静电场带电导体（有时称电极）在空中形成的静电场，除极简单的情况外，大都不能求出它的数学表达式。为了实用的目的，往往借助实验的方法来测定。但是直接测量静电场则遇到很大的困难，这因为设备复杂，与原电场迭加起来，使原电场产生显著的畸变，但是可以用间接的测定方法（称模拟法）来解决。模拟法的特点是仿造另一个电场（称模拟场），使它与原电场完全一样，当用探针去测模拟场时，它不受干扰，因此可间接地测出被模拟的静电场。一、 目的1 学习用模拟法描述和研究静电场分布的概念和方法；2 测绘等位线，根据等位线画出电力线，加深对电场强度和电位要领的理解及静

2、电场分布规律的认识。二、 原理1. 用电流场模拟静电场用模拟法测量静电场的方法之一是用电流场代替静电场。由电磁学理论可知，电解质（或水液）中稳恒电流的电流场与电介质（或真空）中的静电场具有相似性。在电流场的无源区域中，电流密度矢量j满足 j×ds=0 j×dl=0 (1)在静电场的无源区域中，电场强度矢量E满足 E×ds=0 E×dl=0 (2)由(1)式和(2)式可看出电流场中的电流密度矢量j和静电场中的电场强度矢量E所遵从的物理规律具有相同的数学形式，所以这两种场具有相似性。在相似的场源分布和相似的边界条件下，它们的解的表达式具有相同的数学模型。如果

3、把连接电源的两个电极放在不良导体如稀薄溶液（或水液）中，在溶液中将产生电流场。电流场中有许多电位彼此相等的点，测出这些电位相等的点，描绘成面就是等位面。这些面也是静电场中的等位面。通常电场分布是在三维空间中，但在水液中进行模拟实验时，测出的电场是在一个水平面内的分布。这样等位面就变成了等位线。根据电力线与等位线正交的关系，即可画出电力线，这些电力线上每一点切线方向就是该点电场强度E的方向。这样就可以用等位线和电力线形象地表示静电场的分布了。检测电流中各等位线时，不影响电力线的分布。测量支路不能从电流场中取出电流，因此，必须使用高内阻电压表或平衡电桥法进行测绘。但直流电压长时间加在电极上，在水液

4、中会使电极产生“极化作用”而影响电流场的分布，若把直流电压换成交流电压就能消除这种影响。当电极接上交流电压时，产生交流电场的瞬时值是随时间变化的，但交流电压的有效值与直流电压是等效的，所以在交流电场中用交流电压表测量有效值的等位线与交流电场中测量测量同值的等位线，其效果和位置完全相同。2 同轴圆柱面形电极的静电场与电流场图1为静电场模拟举例，现在用同轴电缆圆柱形电极具体说明电流场与静电场的相似性。如图1(a)所示，将其置于水液中，在电极之间加电压V0（A为正，B为负）。由于电极形状是轴对称的，电流自A向B在水液中形成一个径向均匀的稳恒电流场。在电极A、B间有电场的整个空间内填满均匀的不良导体，

5、这样原真空静电场中的电力线平面被埋没在不良导体之中，这就仿造了一个与静电场分布完全一样的模拟场。静电场中带电导体的表面是等位面，模拟场中的电极即不良导体的电导率要远远大于水液的电导率，才能认为电极也是等位面。有了“模拟场”，可以分析它与静电场的相似性。图1 静电场模拟举例（1） 静电场图2为长同轴柱面的电场。如图2(a)所示，在真空中有一个半径为r1的长圆柱导体（电极）A和一个半径为r2的长圆柱导体（电极）B，它们的中心轴重合。设A、B的电位分别为VA=V1=V0，VB=0（接地），各带等量异号电荷，则在两电极之间产生静电场。由于对称性，在垂直于轴的任一截面内有均匀分布的辐射状电力线（见图2(

6、b)），电场的等位面是许多同轴管状柱面。电力线与等位线正交，等位线是封闭线，而电力线是有头有尾的，它发自正电荷，终止于负电荷，它的方向是由正电荷指向负电荷的方向。对中心金属圆柱，金属内部场强为0，电荷分布在金属表面，电力线应从中心圆柱柱面发出，而终止于圆筒壁的内表面。我们在轴长方向上取一段单位长度的同轴柱面，其截面图如图2(d)所示，并设内外柱面各带电荷+Q和-Q。做半径为r的高斯面（柱面），设此面上的电场强度为E，由高斯定理可得2r0E=QE=-dvdr=Q20r (3)由式(3)就有Vr=-Edr=-Q20rdr=-Q201rdr=-K1rdr积分上式得Vr=-Klnr+C (4)其中K=

7、Q20。应用边界条件：r=r1时，Vr=V1=V0；r=r2时，Vr=V2=0，分别带入(4)式，解出积分常数C=Klnr2和K=V0lnr2-lnr1，再把K和C的值代回(4)，整理后得Vr=V0lnr2-lnr1lnr2-lnr (5)式(4)、(5)表示柱面之间的电位V1和r的函数关系，可以看出Vr和lnr是线性关系，并且相对电位VrV0仅是坐标r的函数。图2 长同轴柱面的电场（2） 电流场如图3所示，在电极A、B间有电场的整个空间内填满均匀的不良导体（如水液），仿造一个与静电场完全一样的模拟场。这个原理性的装置称为“模拟模型”。直接测出它上面的模拟场，就可以间接地获得原静电场的分布图。

8、图3 同轴柱面电场模拟模型的获得为了计算电流场的电位差，先计算两柱面间的电阻，后计算电流，最后计算任意两点间的电位差。设不良导电介质薄层（如水液）厚度为t，电阻率为p，则任意半径r到r+dr圆周之间的电阻是：dR=pdrs=pdr2tr=p2tdrr (6)将(6)式积分得半径r到半径r+dr圆周之间的总电阻：Rrr2=p2trr2drr=p2tlnr2r (7)同理可得半径r1到半径r2之间的总电阻：R12=p2tr1r2drr=p2tlnr2-lnr1 (8)因此，从内柱到外柱面的电流为：I12=V0R12 (9)则外柱面(v2=0)至半径r处的电位：Vr=I12Rrr2=V0R12Rrr

9、2=V0lnr2-lnr1lnr2-lnr (10)比较(5)式和(10)式可知，静电场与模拟场的电位分布是相同的。以上是边界条件相同的静电场与电流场的电位分布相同的一个实例，电极形状复杂的静电场用解析法计算是困难的，甚至是不可能的，这时用电流场模拟静电场将显示出更大的优越性。3 长平行导线（输电线）的电场如图4(a)所示，两圆柱形长平行导线A、B各带等量异号电荷，电位分别为+V1、-V1。由于对称性，静电场中存在着许多水平的并与导线垂直的电力线平面，图4(a)中的S平面就是其中一个。S平面的电场分布如图4(b)所示。图4 长平行导线的电场以均匀的不良导体填满整个有电场的空间，并在电极A、B上

10、接入电动势为2V1的电池，做成如图4(c)所示的模拟模型，不良导体内电场的分布在有稳定电流的情况下不会改变。在长平行导线的电场里，存在一个平面等位面，即过两导线垂直连线中点的平面。因此可以将模拟模型简化。把图4(c)的S简块（原静电场的电力线平面（S面）改写为表示不良导体中电力线平面（S面）内两电极中间的平面等位面切开，中间夹以任意的不良导体金属板。这样金属板与2V1电池中间点是等电位的。用导线把金属板和这个等位点连接起来，得到图4(d)。这时，金属板两边的不良导体内各自的电流状态，以及金属板两边各自的电场分布完全与图4(c)的相同，并且是左右对称的。去掉绘成虚线的半边后，剩下的半边就构成长平

11、面导线的电场简化的模拟模型。实验时，只要测出半边，另一半也就知道了。前面提到的不良导体，是相对于电极的不良导体而言的。因为只有电极的导电率大得多的时候，电流通过电极本身而产生的电位差才能忽略不计。这样，静电场中电极是等位体的现象才能在模拟场中得以近似实现。三、 仪器静电场描绘仪电源，描绘装置，模拟模型（带电极的水槽），导电液（自来水），32开白纸（同学自备）四、 实验内容和步骤1. 描绘同轴电缆的等位线按图5接好线路，模拟模型中放入自来水使水深性同（约5mm），在装置的描绘台面上布置好白纸，且固定好。先用探针定出圆心位置，按下探针上端的描绘针，白纸上就定出了圆心的位置。接通电源，外侧电压调至1

12、0V。将按钮置“内侧”，用探针分别找出2 V、4 V、6 V、8 V的等位线。每条等位线均匀测8个点，测绘时沿径向移动，能较快确定测绘点的数值，测绘点若能布置在4条直径上更好。等位线测完后，以所确定圆心位置为中心，以0.5cm为半径画圆，为中心圆柱柱面；以4cm、5cm为半径作圆为圆筒的内外筒壁。图5 电场描绘仪示意图2. 用同样的测量方法，测量出两平行板的电场分布图。3. 用同样的测量方法，测量出两平行轴电线的电场分布图。五、 数据处理1. 在测绘等位线图上再画出电力线分布图，作图时应在图中标出正负电荷，画出电力线方向。电力线应与等位线正交，电力线的疏密应反映电场强度的大小。2. 根据电场强

13、度公式Er=-dvdr，由实验得出的电位分布曲线，求出Er，绘制Er-1r曲线图，并观察电场强度变化的规律。六、 问题讨论1. 如果将电源的电压增大一倍或减小一半，等位线和电力线的形状是否变化？电场强度和电位分布是否变化？2. 若在自来水的某个地方放入一块金属块，会出现什么现象？放入的是绝缘体又会出现什么现象？3. 如果在实验中没有调好水槽的水平（如沿某一个方向倾斜），应出现什么现象？4. 在本实验中测绘等位线为什么要使用高内阻的交流电压表？不用模拟法，可否直接测量静电场？七、 注意的问题1. 一条等位线上相邻两个记录点的距离约为1cm为宜，曲线急转弯或两曲线靠近处，记录应取得密一些，否则连接

14、曲线时会遇到困难。2. 水液深度各处应该相同，否则导电液不能视为均匀的不良导体薄层，模拟场和静电场的分布不会相同。3. 由于水槽边界条件的限制（水槽边界处水液中的电流只能沿边界平行流过，等位线必然与边界垂直），边上的等位线和电力线分布严重失真，故失去模拟意义，故靠边的图线不必绘出。4. 探针较锋利，操作时应小心，以免划伤皮肤。5. 水槽使用完后，将水液倒掉，并用干布将残留水液擦拭干净，放通风处晾干，以防电极生锈。 22实验二 用感应法测磁场了解载流圆线圈的磁场是研究一般载流回路的基础。本实验用感应法测定圆线圈的交流磁场，从而掌握低频交变磁场的测定方法，以及了解如何用探测线圈确定磁场方向。一、

15、目的1. 掌握感应法测磁场的原理和方法。2. 研究单只载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上及周围的磁场分布。二、 原理法拉第电磁感应定律指出，处于磁场中的导体回路，其感应电动势的大小与穿过它的磁通量的变化率成正比。因此，可以通过测定探测线圈中的感应电动势来确定磁场量。1. 均匀磁场的测定n图1设被测磁场为均匀分布的交变磁场B=Bmsint，如图1所示。穿过探测线圈的磁通量为：=N×B×S=NBmScossint (1)式中，N、S分别为探测线圈的匝数和面积，Bm为磁感应强度的峰值，为交变磁场的角频率，为探测线圈法线n与磁场B之间的夹角。线圈中的感应电动势为：=-ddt=-NSBm

16、coscost=-mcost (2)式中，m=NSBmcos为感应电动势的峰值。由于探测线圈的内阻远小于毫伏表的内阻，可忽略线圈上的压降。故毫伏表的读数（有效值）与感应电动势的峰值之间有如下关系：U=m2=12NSBmcos (3)由上式可知，当=0或时，毫伏表读数有极大值：Um=12NSBm。显然，由毫伏表测出的最大值可确定磁感应强度的峰值：Bm=2UmNS (4)磁感应强度B的方向，可通过毫伏表读数的最小值来确定。式(3)对求导得：dUd=12NSBmsin 容易看出，当=2或32时，毫伏表读数对夹角的变化最大。此时，探测线圈只要稍微有转动，便可引起毫伏表读数的明显变化。利用这一特征，可准

17、确地确定探测线圈的方位。如图2所示，此时探测线圈法线方向与磁感应强度方向垂直。2. 非均匀磁场的测定为测定非均匀磁场，探测线圈的面积S必须很小。但由公式(3)看出，此时毫伏表的读数也将变得很小，即探测线圈的灵敏度降低，不利于测量。为克服这一矛盾，设计了如图3所示的探测线圈。用增加匝数的方法来提高它的灵敏度。可以证明在线圈体积适当小的前提下，当L=23D，d=D3时，探测线圈几何中心处的磁感应强度仍可用(4)式表示。代入各匝线圈的平均面积S=(13108)D2，则式(4)可写成：Bm=1082Um13ND2 (5)即Bm与Um保持线性关系。故可通过测定Um来测定Bm的大小和方向。探测线圈各匝线圈

18、面积的平均值：S=40-4ddDr2dr。如果仅仅要求测定磁场分布，可选定磁场中某一点的磁感应强度Bm0作为标准，利用式(5)可写出磁场中另一位置的相对值关系式：BmBm0=UmUm0 (6)于是，利用探测线圈置不同场点时毫伏表不同读数Um来描述非均匀磁场的强度分布。BLN 图2 探测线圈与磁感应强度方向示意图 图3 测定非均匀磁场的探测线圈3. 测某点的磁感应强度峰值将透明垫片上的定位座置于被测点上，并将探测线圈的中心孔套在定位座上。旋转探测线圈，记下毫伏表读数的极大值Um，然后利用(5)式便确定了该点磁场强度的峰值Bm。4. 描绘磁力线1) 将探测线圈放在图纸上笔形定位针插进测量孔，并固定

19、在图纸上。以此为中心旋转探测线圈，直至毫伏表为最小值时止（见图4(a)）。2) 将笔形定位针拨出（注意：不能改变探测线圈的位置）插入另一测量孔，见图4(b)。并以此为中心旋转探测线圈，至毫伏表再次出现最小时止，见图4(c)虚线位置。3) 将笔形定位针拨出再插入原先的测量孔重复上述1)、2)步骤，如图4(d)。这样周而复始地连续做下去，便可在图纸上留下一系列的小针眼。每两个针眼的连线的中心即为探测线圈的几何中心，也就是磁力线的切点。光滑地连接这些切点，即可描绘出一条磁力线。因探测线圈针眼间距远小于磁力线的曲率半径，故作图时，只要光滑地连接针眼即可。(a) (b)(c) (d)图4 描绘磁力线的步

20、骤三、 仪器主机：磁场描绘仪，磁场描绘仪信号源附件：探测线圈，透明垫片，定位针，万用表，毫米方格纸（或实验用坐标纸）磁场描绘仪主机由两只平均半径为10.0cm的亥姆霍兹线圈（相距10.0cm）组成。这两只线圈固定在有机玻璃箱上，单独引线于4个接线柱上。RIIIR亥姆霍兹线圈如图5所示，是一对相同的同轴载流线圈I、II。当它们之间的间隔等于线圈的半径时，理论和实验均证明：两线圈间轴线附近的磁场是近似均匀的。使用时将I、II线圈串联（也可以并联），从而产生同方向的磁场。图5 亥姆霍兹线圈测量孔附件中的探测线圈、透明垫片和笔形定位针的结构示意图如图6所示，左边是立体图，右边是俯视图。中心孔测量孔透明

21、垫片定位座笔形定位针图6 探测线圈、透明垫片和笔形定位针结构示意图四、 实验内容和步骤【内容】1 测量单只线圈轴线上的磁感应强度分布；2 描绘单只线圈的磁力线；3 测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度分布；4 描绘亥姆霍兹线圈的磁力线。【步骤】1 将直角坐标纸恰当剪裁后固定在亥姆霍兹线圈箱面上。2 测量磁感应强度分布的步骤：1) 将探测线圈的引线接入万用表的红、黑表笔两端，万用表量程置200mv挡，待测线圈接入磁场描绘仪信号源的输出端（测亥姆霍兹线圈时注意同向串联接入），磁场描绘仪电压取10V。2) 画出线圈的轴线，在轴线上标出中心点O的位置（单只线圈的中心点在待测线圈两个侧面的中间；亥姆霍兹线

22、圈中心点在两只线圈的中间）。以中心点O为起点，沿轴线（正、负方向）每隔2cm标出一点，作为轴线上磁感应强度分布的测量点约需1520个点。3) 将探测线圈依次移到各测量点上，缓慢转动探测线圈，使毫伏表读数达到最大（同原理3中所述内容），分别记录各点的位置及毫伏表的读数。4) 绘制BmL图线，并进行分析。3 描绘磁力线的步骤1) 同上述步骤2的(1)中所述内容。2) 画出线圈轴线，以中心点O为始点，沿线圈径向（垂直于轴线）每隔2cm标出一点作为描绘磁力线的起始点，然后沿着起始点分别向左、向右描绘磁力线，需描绘47条磁力线。3) 描绘磁力线步骤可参见原理4中所述内容。五、 问题讨论1 测磁感应强度分

23、布时，有无必要测磁感应强度的方向？2 测磁力线时，是测定磁感应强度的方向还是其大小？3 如何用简单的实验方法判断亥姆霍兹线圈的两线圈是同向串联的？4 实验原理中提到，当=2，32时，毫伏表的读数随角度的变化最为明显，请说明这一点。六、 注意的问题1 探测线圈的导线易折断，使用时特别当心，避免只朝一个方向转动。2 注意测交流电流的时候，插万用表一端的红表笔头插V端，黑表头插COM端。3 实验结束后，将万用表拨至AC1000档，并关掉电源。七、 附录（仪器技术指标）1 亥姆霍兹线圈a) 线圈匝数 n=640匝（单只）（R=81，导线直径=0.33×10-3m+2×0.026&#

24、215;10-3m，漆层=0.384×10-3m）b) 平均半径 R=10.0×10-2m c) 线圈间距 R=10.0×10-2m2 探测线圈a) 线圈匝数 N=1200匝b) 线圈内径 d=4.00×10-3mc) 线圈外经 D12.8×10-3m（R=57，导线直径=0.13×10-3m+0.0065×10-3m，漆层=0.134×10-3m）3 磁场描绘仪信号源输出频率f=1000Hz实验三 霍尔效应法测量磁场磁场及物质磁性的测量时物理测量的一个重要分支。测量磁场的方法按其原理可分成两大类(1)由物质在磁场

25、中的表现的特征而发展起来的方法：霍尔效用法和核磁共振法等；(2)以电磁感应原理为基础的测量方法：冲击法和感应法等。感应法对线圈的转速与标定分度要求很高但测量不高，因而应用较少。核磁共振法是目前测量均匀磁场最准确的方法，常用来校验或标定其他测磁仪器。霍尔效应法和冲击电流法是常用的两种方法。其中霍尔效应法在测量技术、自动技术、计算机和信息技术中有广泛的应用，例如各种型号的高斯计就是利用此原理；冲击法作为一种较为简单、标准的测量方法历史悠久，至今仍为标准计量局采用。一、 目的1 观察霍尔现象。2 了解应用霍尔效应测量磁场的原理和方法。3 学会使用霍尔元件测量螺线管内外磁场。4 研究通电螺线管内部磁场

26、分布。二、 原理1 霍尔效应Xde43A3333 B Z1IS aV2 bcVHYf厚度 d=0.2mm宽度 b=4.0mm霍尔片示意图霍尔效应是霍普斯金大学研究生霍尔1879年在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的，它是电磁基本现象之一。ZBYXIs 图1 磁场中通电半导体的受力示意图如图1所示，一个长、宽、厚分别为l、b、d的半导体薄片，在X方向通以电流Is，Z方向加磁场B，则载流子（N型半导体为带负电荷的电子，P型半导体为带正电荷的空穴）受洛仑兹力的作用而发生偏转，在半导体的两侧引起正负电荷的聚集；与此同时，还受到与此反向的电场力fE的作用，当两力相等时，电子的积累便达到动态平衡。这时

27、，在AA端之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势VH，这种现象是霍尔发现的，被称为霍尔效应。设载流子平均速率为u，每个载流子的电荷量为e，当载流子所受洛仑兹力与霍尔元件表面电荷产生的电场力相等时，则VH达到稳定：euB=eEH (1)Is=bdneu或u=Isbdne (2)所以有VH=Isned=RHIsBd (3)RH=1ne称为霍尔系数（也成为霍尔器件的灵敏度），是反映材料霍尔效应强度的重要参数。进一步地，定义霍尔灵敏度KH=RHd=1ned。这样可推出：VH=KHIsB (4)B=VHIsKH (5)所谓霍尔器件就是上述霍尔效应制成的电磁转换元件，已广泛用于非电量测量、

28、自动控制和信息处理等各个领域。对于成品的霍尔元件，其RH和d已给出，因此就将上式写成VH=KHIsB，其中霍尔器件的灵敏度KH（其值由制作厂家给出），它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。以上式中的单位取Is为mA，B为KGS，VH为mV，则KH的单位为mV(mAKGS)。根据(5)式，因KH已知，而Is由实验给出，所以只要测出VH就可以求出未知磁场强度B。2 霍尔元件负效应的影响及消除在产生霍尔电压VH的同时，还伴有四种负效应，负效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差，因此需要根据其机理给予消除。（1） 额延格森效应：从微观和统计的概念可知，半导体中流动的载流子其

29、速度有大有小，并不相等。因此他们受到的洛仑兹力并不相等。速度大的电子受力大，更多的聚集到e面，快速电子动能大，致使e面的温度高于c面。由于温差电效应，ce之间将产生电动势差，记为VE，VE的方向决定于电流IH和磁场B二者的方向，并可判知VE的方向始终和VH相同，因此不能用换向法把它与UH分别开来（因为此影响较小，可忽略）。图2 （2） 能斯脱效应：如图1，“1-2”是电极在a，b面上的接触电阻，不可能制作的完全相等。因此，当电流流过不等的接触电阻时，将产生不等的热量，致使a，b面温度不相等。热处电子动能大，扩散能力强，动平衡的结果是电子从热端扩散到冷端，形成附加的热电子流。附加电流也受磁场偏转

30、而在“3-4”端产生电势差，记为VN，可以看出VH的方向与IH的方向无关，只随磁场的方向而改变。这样，我们就可以采用“对称测量法”消去VH。（3） 里纪-勒杜克效应：在能斯脱效应的该热电子流也与IH一样具有额延格森效应，附加电势差，记为VRL，其方向也与IH方向无关，只与磁场B的方向有关，即与VH同方向，所以可以用同样的方法消除VRL。（4） 不等势电压降Va：电极3和4应该做在同等势面上，但制造时很难做到。因此，即使没加磁场，当IH流过时，在“3-4”端也具有电势差，记为Va，其方向只随IH方向改变而改变，只与磁场方向有关。这样也可以采用对称测量法（也是换向法）改变磁场方向，消去Va。因此，

31、为了消除负效应的影响，在操作时我们需要分别改变IH的方向和IM即B的方向，记下4组电势差的数据。此时取各种电压的绝对值，则有：VH=(V1+V2+V3+V4)4三、 仪器XN-LXG-III型螺线管磁场测定仪四、 实验步骤1 将移动尺上带探测线圈的探测杆换为带霍尔探头的大探测杆，并固定好，将红色插头的两根线连到IS换向闸刀的中间接线柱上，将黑色插头的两根线连到VH换向闸刀的两接线柱上。2 将XN-LXG-III型螺线管磁场测定仪电源的霍尔电流IS和励磁电流IM均调零（即相应旋钮逆时针旋到底）。3 XN-LXG-III型螺线管磁场测定仪电源“霍尔电流IS输出”接试验仪的“霍尔电流IS输入”；“励

32、磁电流IM输出”接“励磁电流IM输入”，并将XN-LXG-III螺线管试验仪上的IS及IM换向闸刀掷向任一侧（设为+端，则另一侧即为-端）。4 电源的“霍尔电压VH输入”接实验仪的“霍尔电压VH输出”，“VH输出”切换闸刀掷向任一侧（设为+端，则另一侧即为-端）。5 接通电源，预热数分钟后，电流表显示“0.000”（IM、IS旋钮均逆时旋到底）。注：此时电压表应显示为“0.00”，若不为零，可通过面板下方的调零电位器来调整。6 旋转IS旋钮，改变IS输出值的大小。霍尔电流数字表头显示的IS值即随“IS调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为0-20mA。此时电压表所示V0读数为“不等势”电压值

33、，它随IS增大而增大。IS换向，V0极性改号，说明电源“IS输出”和实验仪“IS输入”正常。调节旋钮将IS调为约2mA。7 旋转IM旋钮，改变IM输出值的大小。励磁电流数字表头显示的IM值即随“IM调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为01.2A。当IM换向时，VH亦改号，说明电源“IM值输出”和实验仪“IM值输入”正常，调节旋钮将“IM”复零。8 测定霍尔元件的灵敏度KH从（5）式可见，在工作电流IS一定时，磁感应强度B与霍尔电压VH成正比。因此在实验前应先测定霍尔元件的灵敏度KH，即测出B与VH的关系。这需要有一个标准磁场，通常可用无限长直螺线管通以额定电流获得。对于无限长直螺线管轴线上

34、的磁感应强度 B=0nI式中µ0为真空导磁率，为螺线管单位长度的匝数(1500匝)，I为通过螺线管线圈的电流(IM)。但实际螺线管的长度是有限的，对有限长密绕直螺线管，轴线上中点的磁感应强度B=LD2+L20nI式中LD2+L2为一修正系数，L和D分别为螺线管的长度和直径(直尺量出)。9 分别改变励磁电流IM、霍尔电流IS、霍尔电压VH三个转换闸刀的正反向，保持IM、IS的大小不变，记录数据填入以下表格中：表1 实验数据表格方向 IM(A)方向 IS(A)正向 VH(mV)反向 VH(mV)VH最终值+/+-/-+/-10 分别使霍尔元件处于距螺线管轴向距离1cm，2cm，3cm.处

35、（用卷尺量出），每改变1cm按步骤(9)测出并记录各相应的数据。五、 数据处理1 算出每个变格中VH的绝对值的平均值，即为此IM和IS时的霍尔电压。带入公式(5)，而VH、IS、KH已知，可算出B=VHKHIS。2 以霍尔元件所处轴向位置X为横坐标，以各点的值B为纵坐标，作出BX曲线，找出中心点和端点坐标值。研究螺线管内部轴向磁场分布情况。3 由实验数值和方向分析半导体和载流子类型。六、 问题讨论1 采用霍尔效应法来测量磁场时具体要测量哪些物理量？2 实验中如何消除副效应的影响？七、 注意的问题1 绝不允许将电源的励磁电流“IM输出”接到实验仪的霍尔电流“IS输入”或霍尔电压“VH、V0输出”

36、处，否则通电后霍尔元件即遭损坏。2 在改变IS或霍尔元件位置过程中应断开实验仪上的IM换向闸刀以防线圈长时间通电而发热，导致霍尔元件升温，影响实验结果。为保证实验精度，励磁电流应不大于1A，霍尔电流应不大于12mA。3 螺线管装置上标尺所指的位置并不一定是霍尔元件的真正位置，中心位置应由所作的图线上磁场均匀处的中间位置确定。选做实验一 冲击法测量磁场（只有5套仪器）一、 目的1、 了解应用冲击法测量磁场的原理和方法。2、 应用冲击法测量螺线管磁场。二、 原理冲击法测量磁场的对象可以是螺线管、螺线环、亥姆霍兹线圈、电磁铁等励磁线圈产生的磁场，也可以是磁场不易改变的永磁磁场、地磁场等。冲击法测量磁场的电路原理图如图1所示。其中G：冲击电流计；L1：螺线管；L2：探测线圈IM：螺线管励磁恒流源；IS：互感器励磁恒流源；M：标准互感器（0.05H）；K1：互感器励磁电流换向开关；K2：螺线管励磁换向开关；KK：阻尼开关IML1图1 冲击法测量磁场的原理图将励磁电流换向开关倒向一边接通时，励磁电流从0跳变为IM，螺线管内的磁感应强度从0跳变到B。则放置于螺线管内的探测线圈横截面上传过的磁通也由0跳变到=NBS。其中：N为探测线圈匝数，B为螺线管内磁感应强度，S为探测线圈有效面积。由法拉第电磁感应定律=ddti=R=-ddt/Rq=0tid