磁场分布测量实验讲义

1、磁场分布测量实 验 讲 义沈阳城市高校物理教学中心. 95A集成霍尔传感器:线性测量范围：一67mT+67mT,工作电压DC4.55.5V。灵敏度：(31.31.3)V/T,线性误差1%,温度误差0.06%/.微特斯拉计显示精度：2灯，区分率：IpiT.电流表显示精度：2mA.仪器的工作环境：大气压强为：86106kPa,环境温度：。4CTC,相对湿度：25 80%9.形状尺寸(长X宽X高)：FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪：320 x260 x120mmFB520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪测试架：800 x275x270mm三.仪器结构：仪器由FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪和

2、测试架两局部组成。参见图4、图5 oFB520型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场试验仪：(1)由连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 关转变励磁电流的方向。(2)供应95A型集成霍尔传感器工作电源，接收传感器信号加以放大处理，对地磁场及环 境杂散磁场补偿调零电位器。把测量的磁感应强度直接用数显表显示微特斯拉数值。FB520型磁场试验测试架：(1)两只圆电流线圈，右边一只固定，左边一只可移动，线圈移动导轨及位置标志；(2) 95A型集成霍尔传感器固定支架，可轴向调整、径向水平调整和径向垂直调整装置。 (3)刻度标尺，接线端钮等。四.使用说明：FB520型三维亥姆霍兹线圈

3、磁场试验仪的正确使用：.由于每个95A型集成霍尔传感器的灵敏度存在差异，为了保证磁感应强度的精确 性，必需认准配套编号把FB520型亥姆霍兹线圈磁场试验仪和对应的FB520型测试架两 局部用专用连接导线正确连接起来，并把仪器位置固定摆放在试验平台上，将磁场试验仪 接入AC 220V 50Hz电源，闭合电源开关。.在励磁电流等于零的条件下，通过补偿电位器，对微特斯拉计进行补偿调零(消退地 磁场及四周杂散磁场的影响)。在试验过程中测试架位置要保持不变，假设有变动，微特斯 拉计要重新进行补偿调零。.松开测试架上线圈(2)的固定螺栓，按试验要求移动到规定的位置，原那么是使测量数 据能作出以Y轴基本对称

4、的磁感应强度的分布曲线，以便讨论分析磁场分布规律。.调整励磁电流至试验需要值例如I = 400mA,按试验讲义的步骤，逐点测定磁感应强 度的数值。.霍尔传感器的轴向移动（X坐标）、径向水平移动（Y坐标）、径向垂直移动（Z坐标） 只要通过用手推动相应移动装置即可。.试验室中磁场试验仪较多，为避开相互影响，应留意不要相互靠得太近。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，测量磁场的方法有不少，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，本试验介绍霍尔效应法测磁 场的方法，它具有测量原理简洁，测量方法简便及测试灵敏度较高等优点。【试

5、验目的】.学习测量载流圆线圈的磁场分布。.了解亥姆霍兹线圈磁场分布的特点。.验证矢量迭加原理。【试验原理】1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场（1）载流圆线圈磁场依据毕奥-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：一 （1）2（R2+X2）3/2式中No为圆线圈的匝数，X为轴上某一点到圆心O的距离，|li0 =4kx10-7H/m, 磁场的分布图如图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 d = R）时，从磁感应强度分布曲线可以看出，（理

6、论计算也可以证明）：两线圈合磁场在 中心轴线上（两线圈圆心连线）四周较大范围内是匀称的，这样的一对线圈称为亥姆霍兹 线圈，如图2所示。从分布曲线可以看出，在两线圈中心连线一段，消失一个平台，这说 明该处是匀强磁场。依据霍尔效应可以知道，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可以测 量磁场的大小。当亥姆霍兹线圈两线圈通有方向全都的电流时，两线圈形成的磁场方向也 全都，两线圈之间就形成匀称磁场，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，那么其间的磁场可以相互抵消为零。【试验仪器】F

7、B520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪-一.FB520三维线圈磁场试验信号源仪器背部为FB520沟通电源插座和电源开关，以及配FB520三维亥姆霍兹线圈磁场 试验仪测试架的专用插座。仪器主机见图4图4 FB520型三维亥姆霍装线圈磁场实验仪实物照片.励磁电流如输出：直流。0.500A恒流输出连续可调，接到测试架的励磁线圈，供 应试验用的励磁电流。励磁电流Im输出端连接到测试架线圈时，可以选择接单个线圈或 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。 此外两端子接至试验仪的Im端。.由集成霍尔元件构成的微特斯拉计：每台仪器在出厂时，工作电流h及集成霍尔元件 输出

8、信号放大器都已配套调整好，只要用专用四芯连接线把试验仪与测试架连接。测量磁 感应强度B可直接读数。使用前，在仪器位置方向确定后，在励磁电流为零时，用调零旋 钮调零。以消退地磁场及试验环境四周的杂散磁场对试验的影响。（提示：集成霍尔元件 工作电流出厂时已配对调好，假如把试验仪与测试架互换，将造成测试数据不准，甚至消 失无法调零的状况，这时只要留意按仪器上的编号更正即可）。.换向开关：用于转变磁场线圈励磁电流h的方向。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牢靠调整）图5 FB520型三维亥姆霍芸线圈磁场实验仪测试架照片.亥姆霍兹线圈:如图5所示，两个圆线圈（1）、（2）

9、安装于底板（3）上，其中圆线圈（1）为固定线圈, 圆线圈（2）可以沿底板移动，从而调整两线圈的间距，移动范围为：d = 50-200mm,操作时，只需松开圆线圈（2）底座上的紧固螺钉，就可以用双手匀称地移动圆线圈（2）, 从而转变两个圆线圈的间距，试验架上设有R, 2R, R/2等位置标志，移到所需的位置后，再拧紧紧固螺钉。励磁电流通过圆线圈后面的插孔接入，可以做单个线圈或双线圈的 磁场分布。.三维可移动装置：见图5,滑块（10）可以沿导轨（5）左右移动，协作铜杆（8）的位置调整，可以转变集 成霍尔元件（4） X方向的位置坐标，移动距离：200mm。移动时，用力要轻，速度 不行过快，假如滑块移

10、动时阻力太大或太松，那么应适当调整滑块上的螺钉（9）的松紧度; 左右（即X方向）移动不能影响前后方向即Y方向位置；必要时，可以锁紧导轨（5）右 端的紧定螺钉（13）,防止Y方向位置发生转变。沿Y方向轻推滑块（10）,让导轨（5） 沿导轨（6）匀称移动，可使集成霍尔元件丫方向的位置坐标变化，移动距离：80mm； 这时，导轨（5）右端的紧定螺钉（13）应处于松开状态。留意：这时不行左右方向用力, 以免转变集成霍尔元件X方向的位置。松开紧固螺钉（12）,铜杆（8）可以沿导轨（7） 上下移动，移到所需的位置后，再拧紧紧固螺钉（12）,用于转变霍尔元件Z方向的位置 坐标，移动距离：80mm。在进行X方向

11、位置移动时，一般将Z方向标尺置于。点，这 样保证集成霍尔元件正处于线圈中心轴线上。试验装置在X,Y,Z方向均配有位置标尺， 是三维磁场测量系统，可以便利地测量空间磁场的三维坐标。.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特别好的选择。可以对三维磁场分布进行精确测量。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。转变圆线圈（2）的位置进行磁场分布测量试验时，为了读数便利，应当转变铜管（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,

12、R/2的位置，这样做的优点是移动滑块（10）时，X方向的读数是以0位置为对称的。假如不转变铜管（8）的位置，那么应对X方向位置读数进行修正。【试验内容】1.测量单个载流圆线圈（1）轴线上（X方向）磁场B1的分布:用连接线将励磁电流Im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）,再拧紧紧固螺钉（12）。开机前，预热10分钟，调整FB520型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场试验仪的电流调整， 使励磁电流Im = 0-000A ,在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零（目的是消 退地磁场和其他环境杂散干扰磁场以及不平衡电势的影响），这样特斯拉计就

13、校准好了。（留意:假如测量过程中转变了测试架位置方向，需重复调零步骤。） 调整励磁电流Im =0-500A ,移动X方向导轨滑块（10），以10mm为间隔距离测量 单个线圈通电时轴线上各点的磁感应强度，将数据纪录在表1,即圆线圈轴线上B的分布 图，并绘出B1X曲线。表 1 B1 X 关系 (Im =+0.500 A)载流圆线圈（1）轴线上磁场分布的数据纪录（设亥姆霍兹线圈中间为坐标原点）轴向坐标X （m）磁感应强度B实（uT）平均值Bl距圆线（1）中心距 离（ID）理论值百分误 差+Im-Im0. 150. 10. 140. 090. 130. 080. 120. 070. 110. 060.

14、 10. 050. 090. 040. 080. 030. 070. 020. 060. 010. 0500. 04-0.010. 03-0. 020. 02-0. 030.01-0. 040-0. 05-0.01-0. 06-0. 02-0. 07-0. 03-0. 08-0. 04-0. 09-0. 05-0. 1-0. 06-0. 11-0. 07-0. 12-0. 08-0. 13-0. 09-0. 14-0. 1-0. 15-0. 11-0. 16-0. 12-0. 17-0. 13-0. 18-0. 14-0. 19-0. 15-0.2班级：姓名：日期：2.测量单个载流圆线圈2轴线

15、上(X方向)磁场多的分布：表 2X 关系 ，=0.500 A )载流口11线圈(2)轴线上磁场分布的数据纪录(设亥姆霍兹线圈中间为坐标原点)轴向坐标X (m)磁感应强度B(uT)平均值B2距圆线(2)中心距 禺(m)理论值百分误差+Im-Im0. 150.20. 140. 190. 130. 180. 120. 170. 110. 160. 10. 150. 090. 140. 080. 130. 070. 120. 060. 110. 050. 10. 040. 090. 030. 080. 020. 070.010. 0600. 05-0.010. 04-0. 020. 03-0. 030

16、. 02-0. 040.01-0. 050-0. 06-0.01-0. 07-0. 02-0. 08-0. 03-0. 09-0. 04-0. 1-0. 05-0. 11-0. 06-0. 12-0. 07-0. 13-0. 08-0. 14-0. 09-0. 15-0. 1班级：姓名：日期:.测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场Br的分布：(1)先松开线圈(2)的固定螺丝，把两线圈的距离调整到d = R = 100mm,组成亥姆霍 兹线圈。要到达这样的设置只需要将铜管位置处处R , Y方向导轨(5), Z方向导轨(7) 都置于(0),固定螺丝，这样就可以将霍尔位于亥姆霍兹线圈的轴线上。(2)将线圈(1

17、), (2)同向串联，并通入励磁电流Im。(3)与前相同，开机前预热10分钟，调整FB520型亥姆霍兹线圈磁场试验仪的电流调整, 使励磁电流Im =O.OOOA,在线圈磁场强度等于零的条件下，把特斯拉计调零。(4)调整励磁电流Im =05A,移动X方向导轨，以10mm为间隔距离测量通电亥姆霍兹 线圈轴线上磁感应强度。纪录数据填入表3,并绘出BrX曲线。表 3 Br X 关系 (IM =0.500 A)亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布的数据纪录(设亥姆霍兹线圈中间为坐标原点)轴向坐标X (m)磁感应强度B(uT)平均值距亥姆霍兹线圈中心 距离(m)B1+B2百分误差+Im-Im0. 150. 150.

18、 140. 140. 130. 130. 120. 120. 110. 110. 10. 10. 090. 090. 080. 080. 070. 070. 060. 060. 050. 050. 040.040. 030. 030. 020. 020.010.0100-0.01-0.01-0. 02-0. 02-0. 03-0. 03-0. 04-0. 04-0. 05-0. 05-0. 06-0. 06-0. 07-0. 07-0. 08-0. 08-0. 09-0. 09-0. 1-0. 1-0. 11-0. 11-0. 12-0. 12-0. 13-0. 13-0. 14-0. 14-0. 15-0. 15班级:班级:姓名:日期:.比拟与验证磁场叠加原理：将表1和表2中的磁场强度By数据按X方向的坐标位置相加，得到B1+B），将B2数据及B +B2数据绘制在一起并与表3的Br数据比拟。（注：以下内容选做）：【附录】FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场试验仪使用说明书一.用途及特点：.用途：FB520型三维亥姆霍兹线圈磁场测量试验仪设计有连续可调稳压、恒流电源。磁场 测定探头采纳高灵敏度95A型集成霍尔传感器，该仪器可用于讨论载流圆线圈磁场分布、 亥姆霍兹线圈磁场分布