亥姆霍茲線圈磁場測量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

武彩霞 張苗苗

摘 要：本文通過亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)研究了線圈中磁場的分布情況；驗(yàn)證了場的疊加原理；采用集成霍爾傳感器探測亥姆霍茲線圈中的磁場。但是由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)研究局限性，使得最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值存在很大的偏差，所以本文對該實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題提供了改進(jìn)的方法，以達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)誤差、提高實(shí)驗(yàn)精度的目的。

關(guān)鍵詞：集成霍爾傳感器；亥姆霍茲線圈；疊加原理

1 引言

在實(shí)驗(yàn)室研究中，用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生均勻的磁場是獲得勻強(qiáng)磁場的重要方法之一。亥姆霍茲線圈是由一對共軸放置，半徑為R并且兩線圈間距X和半徑R相等的圓線圈構(gòu)成。與永久磁鐵相比，赫姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場結(jié)構(gòu)簡單又能產(chǎn)生均勻性較好的磁場【1】，所以成為磁測量等物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。測量亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場的方法一般情況是使用探測線圈并配以指針式交流電壓表，測量產(chǎn)生磁場B的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但線圈體積過大，指針式交流電壓表等級低等原因使測量準(zhǔn)確度不高，難以完成較為準(zhǔn)確地測量亥姆霍茲線圈的磁場，并且不能實(shí)時顯示亥姆霍茲線圈磁場的分布規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

亥姆霍茲線圈是由一對相同的、共軸的、且彼此平行的密繞的N匝線圈的圓環(huán)型電流。當(dāng)它們的間距等于圓環(huán)半徑R時，這種形狀的載流線圈被稱作赫姆霍茲線圈（Helmholtz線圈），亥姆霍茲線圈磁場儀主要由兩部分組成。分別是亥姆霍茲線圈磁場測試架部分和亥姆霍茲線圈磁場測量儀部分。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)

先按說明接線[3]，接著在勵磁電流為0的情況下將磁感應(yīng)強(qiáng)度清零，繼續(xù)調(diào)節(jié)磁場測量儀勵磁電流的調(diào)節(jié)電位器，使測量儀顯示數(shù)字為500毫安。測量軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度。得到數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)測量值及通過式（1）計算的理論值）：

2.3 勵磁電流大小對磁感應(yīng)強(qiáng)度B值的影響

亥姆霍茲線圈仍然需要在勵磁電流為0的情況下將磁感應(yīng)強(qiáng)度B歸零。調(diào)節(jié)磁場測量儀器的勵磁電流調(diào)節(jié)器，使儀器顯示值大小為100毫安，將霍爾傳感器調(diào)節(jié)到亥姆霍茲線圈中心的位置。

徑向距離X=0，軸向距離X=0.

2.4數(shù)據(jù)處理及誤差分析

如圖1所示，不難看出當(dāng)軸向距離在-50到50的范圍內(nèi)時，磁感應(yīng)強(qiáng)度基本是均勻的，而且通過實(shí)驗(yàn)測量得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值與理論計算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值差別不大；當(dāng)軸向距離大于50時，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小比較明顯，而且圖像左側(cè)通過實(shí)驗(yàn)測量得出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值與理論計算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度值有一定的差別。

3 改進(jìn)

3.1 存在的缺點(diǎn)

首先，實(shí)驗(yàn)中所使用的線圈體積大，指針式交流電壓表靈敏度不高，微小的電壓變化不能明顯的體現(xiàn)出來[4]，而且在讀數(shù)時也會造成很大的誤差，使得數(shù)據(jù)精確性不高。

3.2 具體改進(jìn)方法及優(yōu)點(diǎn)

（1）將亥姆霍茲線圈磁場測量儀和亥姆霍茲線圈磁場架結(jié)合為一體，這樣可以降低因接線錯誤造成的失誤率，減少儀器損壞，而且操作更加簡便；

（2）為了可以直觀、形象的看到亥姆霍茲兩線圈之間的磁場分布，利用Matlab軟件數(shù)值模擬能清晰呈現(xiàn)磁場分布情況[5]，有利于有效地進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動；

（3）為了提高實(shí)驗(yàn)精度，盡量做到使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，最大限度的減小實(shí)驗(yàn)誤差，我們可以采用適度轉(zhuǎn)動傳感儀、磁場傳感器并且利用電子計算機(jī)來進(jìn)行動態(tài)的、連續(xù)的、實(shí)時的信號采集以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，從而能對整個實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行實(shí)時有效的監(jiān)控，既可以做到改進(jìn)了原始數(shù)據(jù)的收集方法，又可以保留傳統(tǒng)的的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容，并且將傳統(tǒng)的方法與現(xiàn)代的高科技結(jié)合起來。

4 結(jié)束語

本文按照傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場測量實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)，得到了以上所述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果和理論計算結(jié)果有一定偏差，因此對傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場測量實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)，但是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計發(fā)展成熟，改進(jìn)難度極大，受實(shí)驗(yàn)室和研究者知識儲備的局限性，僅僅只能提出一些理論上可行的改進(jìn)思路，來降低系統(tǒng)誤差，消除實(shí)驗(yàn)影響，使實(shí)驗(yàn)原理更加的清晰。

2017年度天水師范學(xué)院校級教研資助項(xiàng)目（資助號：SYJY201711）

作者簡介：

武彩霞，天水師范學(xué)院，電子信息與電氣工程學(xué)院，講師，天水，741000