旋转液体综合实验实验指导书.doc

亥姆霍兹线圈磁场的测量 实验指导书 淮阴工学院物理实验中心 2014年9月 如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的。故在生产和科研中有较大的实用价值，也常用于弱磁场的计量标准。这对线圈称为亥姆霍兹线圈。 【实验目的】 观察亥姆霍兹线圈中间磁场的均匀性，验证磁场叠加原理； 了解一种得到均匀磁场的实验室方法。 【实验仪器】 FD-HM-I亥姆霍兹线圈磁场测定仪，型集成霍耳传感器，导线。 FD-HM-I亥姆霍兹线圈磁场测定仪简图如下： 图1 1、毫特斯拉计 2、电流表 3、直流电流源 4、电流调节旋钮 5、调零旋钮 6、传感器插头 7、固定架 8、霍耳传感器 9、大理石 10、线圈 注：A、B、C、D为接线柱 型集成霍耳传感器就是一种高灵敏度的优质磁场传感器，它的体积小（面积，厚），其内部具有放大器和剩余电压补偿电路，采用此集成霍耳传感器（配直流数字电压表）制成的高灵敏度毫特计，可以准确测量的磁感应强度，其分辨率可达。因此，用它探测载流线圈及亥姆霍兹线圈的磁场，准确度比用探测线圈高得多。用高灵敏度集成霍耳传感器测量弱交、直流磁场的方法已在科研与工业中广泛应用。 【实验原理】 一．根据毕奥—萨伐尔定律，载流线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点的磁感应强度为： （1） 式中为真空磁导率，为线圈的平均半径，为圆心到该点的距离，为线圈匝数，为通过线圈的电流强度。因此，圆心处的磁感应强度为： （2） 轴线外的磁场分布计算公式较为复杂，这里简略。 二．亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同,线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径。这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区，所以在生产和科研中有较大的使用价值，也常用于弱磁场的计量标准。 设为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为： （3） 而在亥姆霍兹线圈上中心处的磁感应强度为： （4） 【实验内容】 1．按图接线，开机后应预热分钟； 2．测量电流时，单线圈轴线上各点磁感应强度，每隔测一个数据。实验中，随时观察毫特斯拉计探头是否沿线圈轴线移动。每测量一个数据，必须先在直流电源输出电路断开调零后，才测量和记录数据； 3．在轴线上某点转动毫特斯拉计探头，观察一下该点磁感应强度的方向； 4．将两线圈间距调整至，这时，组成一个亥姆霍兹线圈； 5．取电流值，分别测量两线圈单独通电时，轴线上各点的磁感应强度值和，然后测亥姆霍兹线圈在通同样电流，在轴线上的磁感应强度值，证明在轴线上的点，即证明磁场迭加原理； 6．把亥姆霍兹线圈间距调整为，测量在电流为轴线上各点的磁感应强度值； 7．作间距、时，亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度与位置之间关系图，即图。 【注意事项】 1．实验探测器采用配对型集成霍耳传感器，灵敏度高，因而地磁场对实验影响不可忽略，移动探头测量时须注意零点变化，可以通过不断调零以消除此影响； 2．接线或测量数据时，要特别注意检查移动两个线圈时，是否满足亥姆霍兹线圈的条件； 3．两个线圈采用串接或并接方式与电源相连时，必须注意磁场的方向。如果接错线有可能使亥姆霍兹线圈中间轴线上磁场为零或极小。 【数据处理】 1．电流，线圈平均半径，线圈匝数，并且真空磁导率。 表1：载流圆线圈轴线上不同位置磁感应强度的测量结果 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 在处，理论值 实验测量值 两者百分误差： 作出单线圈的磁场分布图：B-x图 2．电流I=100mA，两线圈间距d==10.00cm。取两线圈轴线中心点为原点。轴线为轴，所得数据见表2，其中a表示一个单线圈，b表示另一个单线圈，(a+b)表示亥姆霍兹线圈。 表2：直流电通过亥姆霍兹线圈，证明磁场迭加原理成立 -7.00 -6.00 -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00