用線性霍爾元件組合“Arduino”開源電子平臺測量磁感應強度

鄒建中 胡 博

(江西省新余市第四中學，江西 新余 338031)

高中物理新課標選修3-1的《磁場》章末中,介紹了霍爾效應的現象及其相關特點、同時在課后拓展中還提出了一項“課題研究”——“由于霍爾元件體積很小,可以用來制作探測磁場的探頭”． 而我們老師在平常的教學中,常常苦于各類磁感應強度的定量測量．要么裝備價格昂貴的數字化實驗裝備,而筆者應用線性霍爾元件組合“Arduino”開源電子平臺,設計出一套測量磁感應強度的簡易裝置,效果較好,現介紹如下:

1 線性霍爾元件的工作原理

圖1

如圖1所示,高h、寬為d的導體置于勻強磁場B中,當電流通過導體時,在導體板的上表面A和下表面A′之間產生電勢差．

2 Arduino開源電子平臺介紹

Arduino硬件平臺本質上是一種以AVR系列微處理為核心的單片機開發板,具有13個數字輸入/輸出端口和5個模擬輸入/輸出端口,可以通過外接傳感器實現對各類物理量的測量和數據采集,由于應用廣泛、用戶眾多,配套或兼容的傳感器和外圍設備非常多,只要合理利用,完全可以實現中學物理實驗所需要的各類功能．我們采用Arduino Uno電路板作為數據采集器,如圖2

圖2

3 實驗器材和原理

圖3 圖4

取一根硬的細朔料管G,將傳感器T固定在管的一端,讓連接3個腳的導線穿過管內,制成一個探頭,如圖5所示,圖5(甲)中的傳感器測量面與管的軸線垂直,適合探測測量通電螺旋管內的磁場,圖5(乙)中的傳感器測量面與管的軸線平行,適合于測量相互平行靠近的一對N,S磁極間的勻強磁場．

圖5

將傳感器和Arduino Uno電路板數據采集器組裝測量平臺如圖6

圖6

4 數據采集程序

#include

LiquidCrystal_I2C Icd(0x27,16,2);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

Icd.init();

Icd.backlight();

}

然而，隨著浮選鈦精礦產量的增加，浮選烘干工序又出現了新的難題——烘干尾氣存有異味，嚴重影響人們的生活。倘若浮選鈦精礦烘干尾氣異味不能得到有效解決，將嚴重制約攀西地區釩鈦磁鐵礦的開發利用，尤其是鈦鐵礦的綜合回收利用。

void loop()

{

int sensorValue=analogRead(A1);

float voltage=sensorValue*(5.0/1023.0);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(Magnetic);

delay(200);

}

以上是Arduino系統連接3503型線性霍爾元件測量霍爾電壓的全部代碼,在IDE中編譯下載到Arduino Uno電路板,即可實現霍爾電壓的測定．

5 實驗操作

圖7

將圖6中的探頭伸入圖7中的螺線管,如實物圖8,9所示,用直流穩壓電源E1給空心螺線管L通電．將探頭沿著螺線管軸線O移動,從一端口進入,從另一端口移出,測量出若干點的磁感應強度．再與軸線旁沿著平行于軸線方向測量一次．還可以借助刻度尺確定各個測量點的位置數據．

圖8

圖9

6 數據處理與結論

(1) 記錄x與U的數據(x為沿螺線管縱軸的坐標位置,U為數字電壓表的讀數,反映了磁感應強度的相對大小．)

表1 細長的螺線管,I=100mA

(2) 作U-x圖像(如圖10):

圖10

結論:在細長的螺線管內中部區域是平行于軸線方向的勻強磁場

(3) 記錄U與電流I的數據.

表2

(4) 擬合U、I圖線.

由此可得:在已知K、d、U、I的前提下,磁感應強度B可求.

圖11