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文檔簡介
1、實驗原理1載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場(1) 載流圓線圈磁場一半徑為,通以電流的圓線圈,軸線上磁場的公式為 (1-1)式中為圓線圈的匝數,為軸上某一點到圓心O的距離。 它的磁場分布圖如圖1-1所示。(2)亥姆霍茲線圈所謂亥姆霍茲線圈為兩個相同線圈彼此平行且共軸,使線圈上通以同方向電流,理論計算證明:線圈間距a等于線圈半徑R時,兩線圈合磁場在軸上(兩線圈圓心連線)附近較大范圍內是均勻的,如圖1-2所示。2霍爾效應法測磁場(1)霍爾效應法測量原理 將通有電流I的導體置于磁場中,則在垂直于電流I和磁場B方向上將產生一個附加電位差,這一現象是霍爾于1879年首先發現,故稱霍爾效應。電位差稱為霍爾電壓
2、。如圖3-1所示N型半導體,若在MN兩端加上電壓U,則有電流I沿X軸方向流動(有速度為V運動的電子),此時在Z軸方向加以強度為B的磁場后,運動著的電子受洛倫茲力FB的作用而偏移、聚集在S平面;同時隨著電子的向S平面(下平面)偏移和聚集,在P平面(上平面)出現等量的正電荷,結果在上下平面之間形成一個電場(此電場稱之為霍爾電場)。這個電場反過來阻止電子繼續向下偏移。當電子受到的洛倫茲力和霍爾電場的反作用力這二種達到平衡時,就不能向下偏移。此時在上下平面(S、P平面)間形成一個穩定的電壓(霍爾電壓)。(2)霍爾系數、霍爾靈敏度、霍爾電壓設材料的長度為l,寬為b,厚為d,載流子濃度為n,載流子速度v,
3、則與通過材料的電流I有如下關系: I=nevbd 霍爾電壓 UH=IB/ned=RHIB/d=KHIB式中霍爾系數RH=1/ne,單位為m3/c;霍爾靈敏度KH=RH/d,單位為mV/mA由此可見,使I為常數時,有UH= KHIB =k0B,通過測量霍爾電壓UH,就可計算出未知磁場強度B。本實驗使用的儀器用集成霍爾元件,已經與顯示模塊聯調,直接顯示磁場強度。實驗儀器亥姆霍茲實驗儀由二部分組成。它們分別為勵磁線圈架部分(見圖一)和磁場測量儀器部分(見圖二)。 圖二 4501A型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀面板 亥姆霍茲線圈架:二個勵磁線圈:線圈有效半徑 105mm 線圈匝數 500匝 二線圈中心間距
4、105mm 測量磁場傳感器: 4501A使用霍爾元件測量磁場。移 動 裝 置:橫向可移動距離150mm,縱向可移動距離50mm 距離分辨力0.5mm實驗內容 1. 測量圓電流線圈軸線上磁場的分布接好電路。調節磁場實驗儀的輸出功率,使勵磁電流有效值為200m,以圓電流線圈中心為坐標原點,每隔10.0 mm測一 個max值,測量過程中注意保持勵磁電流值不變,記錄數據并作出磁場分布曲線圖。 2 .測量亥姆霍茲線圈軸線上磁場的分布把磁場實驗儀的兩組線圈串聯起來(注意極性不要接反),接到磁場測試儀的輸出端鈕。調節磁場測試儀的輸出功率,使勵磁電流有效值仍為200m。以兩個圓線圈軸線上的中心點為坐標原點,每
5、隔10.0mm測一個max 值。記錄數據并作出磁場分布曲線圖。 數據處理 1. 圓電流線圈軸線上磁場分布的測量數據記錄表1,(注意坐標原點設在圓心處)。坐標值-70-60-50-40-30-20-10010203040506070實驗B值理論B值并根據測量數據在坐標紙上畫出實驗曲線。 2.亥姆霍茲線圈軸線上的磁場分布的測量數據記錄表2,(注意坐標原點設在兩個線圈圓心連線的中點0處)。 坐標值-70-60-50-40-30-20-10010203040506070實驗B值并根據測量數據在坐標紙上畫出實驗曲線。思考題 1單線圈軸線上磁場的分布規律如何?亥姆霍茲線圈是怎樣組成的?其基本條件有哪些?它
6、的磁場分布特點又怎樣? 2分析用霍爾效應測量磁場時,當流過線圈中的電流為零時,顯示的磁場值不為零?3分析圓電流磁場分布的理論值與實驗值的誤差的產生原因?4.亥姆霍茲線圈軸線上中心位置的磁感應強度為(二個線圈串聯)多少?相關知識 亥姆霍茲(H·von·Haimuhuozi),是德國19世紀偉大的物理學家和生理學家,我們大學所學的力學三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科學成就。而亥姆霍茲共振原理,則是亥姆霍茲在聲學領域的著名成就之一。 首先,建立一個由理想剛體構成的密閉空腔,這個空腔就叫做“亥姆霍茲共振腔”,在空腔的表面開一個
7、面積相對于空腔表面積很小的孔,在孔上插入一根空心剛體管道,組成的結構就稱為“亥姆霍茲共鳴器”。 對于一個亥姆霍茲共鳴器而言,當其內部空氣受到外界波動的強制壓縮時(無論強制力施加于空腔內的空氣還是管道內的空氣,施加的外力是來自聲波還是腔體振動),管道內的空氣會發生振動性的運動,而空腔內的空氣對之產生恢復力(換句話說,共振腔內的空氣是一個“空氣彈簧”)。在聲波波長遠大于共鳴器幾何尺度的情形下,可以認為共鳴器內空氣振動的動能集中于管道內空氣的運動,勢能僅與腔體內空氣的彈性形變有關。這樣,這個共鳴器是由管道內空氣有效質量和腔體內空氣彈性組成的一維振動系統,因而對施加
8、作用的波動有共振現象,其固有頻率是。公式中f0是亥姆霍茲共鳴器的最低共振頻率,c是聲速,S是管道的截面積,d是管道的直徑,l是管道的長度,V是空腔的容積。在強度為一定的振動作用下,在這個頻率時,管道內空氣的振動速度達到最大。 這,就是所謂的“亥姆霍茲共振原理”。 亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉換裝置,它既可以在內部設計吸音材料,成為“共振吸音結構”,在管口處具有相當強大的消耗接近f0頻率的外界聲波的吸音能力,或者,也可以通過驅動其內部空氣,將微小的振動轉換為強度很高的聲波從管口傳輸出去。
9、0; 由于這是一種不需要任何獨立能源,完全依靠外界振動激發的高效率聲能轉化裝置,所以亥姆霍茲共鳴器的應用范圍很廣,作為吸聲裝置,其最典型的應用就是音樂廳、電影院吸音墻的微結構,而作為擴聲裝置,其最典型的應用就是各種樂器的共鳴箱。注意事項 1. 本實驗使用的儀器用集成霍爾元件,已經與顯示模塊聯調,直接顯示磁場強度。2. 如果只是用二個線圈中的某一個產生磁場時,請直接將儀器上的電流輸出端連接到勵磁線圈端上(左邊的或者右邊的);如果同時用到二個線圈產生磁場時,請將儀器上電流輸出的正端(紅色)連接到勵磁線圈(左)的正端子(紅色)上,將儀器電流輸出的負端(黑色)連接到勵磁線圈(右)的負端子(黑色)上,同時將勵磁線圈(左)的負端子與勵磁線圈(右)的正端子用短
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