雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管引入霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

秦麗霞，于建勇，段益峰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

?

雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管引入霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

秦麗霞，于建勇，段益峰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中同一螺線(xiàn)管所通入電流既作為已知電流求霍爾元件的靈敏度又作為未知電流求螺線(xiàn)管的磁場(chǎng)這一不足，提出一種設(shè)計(jì)方法，采用雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管使兩個(gè)電流進(jìn)行有效區(qū)分，同時(shí)還可以測(cè)量螺線(xiàn)管內(nèi)的疊加磁場(chǎng)，可使學(xué)生深刻全面理解霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的原理及螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的性質(zhì)，并可作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

霍爾效應(yīng)；勵(lì)磁電流；雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管

霍爾效應(yīng)(Hall effect)是1879年由霍爾(Edwin H.Hall)在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，它對(duì)后來(lái)發(fā)現(xiàn)電子及研究固體結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)起著重要的作用?；魻栃?yīng)是一種電磁效應(yīng)，即如果在電流的垂直方向加上磁場(chǎng)，則在與電流和磁場(chǎng)都垂直的方向上將建立一個(gè)電場(chǎng)。利用霍爾效應(yīng)測(cè)量長(zhǎng)直螺線(xiàn)管管內(nèi)磁場(chǎng)分布情況是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)基本的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[1-4]。目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的霍爾效應(yīng)測(cè)螺線(xiàn)管磁場(chǎng)項(xiàng)目都是利用螺線(xiàn)管測(cè)定實(shí)驗(yàn)組合儀測(cè)量長(zhǎng)直螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上的磁場(chǎng)分布情況[4-6]。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生很容易將測(cè)定霍爾元件靈敏度時(shí)螺線(xiàn)管上的勵(lì)磁電流與測(cè)量長(zhǎng)直螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)螺線(xiàn)管上的勵(lì)磁電流混淆。為此我們提出一種改進(jìn)方法，即采用雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管，將兩次的勵(lì)磁電流清楚區(qū)分。同時(shí)，根據(jù)雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出多種電流情況下的螺線(xiàn)管磁場(chǎng)疊加下的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量的方案。該設(shè)計(jì)方法可使學(xué)生更深刻理解霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的原理，也加深對(duì)螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和理解，并可讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路連接，測(cè)量不同連接方法時(shí)螺線(xiàn)管內(nèi)的疊加磁場(chǎng)，開(kāi)闊學(xué)生的思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

1 測(cè)量原理

圖1 霍爾元件示意圖

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

本文引入雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管，如圖2所示，通過(guò)給雙線(xiàn)分別通電的方法區(qū)分已知磁場(chǎng)和待測(cè)磁場(chǎng)，在導(dǎo)線(xiàn)aa′中通入勵(lì)磁電流IM，此時(shí)螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度可由公式(3)求出，該磁場(chǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)，將霍爾元件放在螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上，給其通入工作電流IS，測(cè)量霍爾元件兩端的電勢(shì)差VH，即可根據(jù)公式(2)測(cè)出霍爾元件的靈敏度KH。再在導(dǎo)線(xiàn)bb'中通入勵(lì)磁電流作為未知磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流，利用霍爾元件測(cè)量此時(shí)螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。若將導(dǎo)線(xiàn)aa′和導(dǎo)線(xiàn)bb′并聯(lián)，通入同向電流則螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上的磁場(chǎng)疊加變強(qiáng)，通入反向電流則磁場(chǎng)相互減弱。若將導(dǎo)線(xiàn)aa′和導(dǎo)線(xiàn)bb′串聯(lián)，則線(xiàn)圈匝數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)儀也進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖3所示。綜合以上幾種情況，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)線(xiàn)路連接，利用霍爾元件測(cè)量不同情況下的螺線(xiàn)管的磁場(chǎng)，發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，加深對(duì)螺線(xiàn)管磁場(chǎng)性質(zhì)的理解。

圖2 螺線(xiàn)管示意圖

3 結(jié) 論

本文提出了一種用雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管代替普通的單線(xiàn)螺線(xiàn)管的霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)方案，解決了學(xué)生將測(cè)定霍爾元件靈敏度時(shí)螺線(xiàn)管上的勵(lì)磁電流與測(cè)量長(zhǎng)直螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)螺線(xiàn)管上的勵(lì)磁電流混淆的問(wèn)題。雙線(xiàn)并繞螺線(xiàn)管的引入可以實(shí)現(xiàn)多種導(dǎo)線(xiàn)連接情況下螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的疊加，可使學(xué)生更深刻理解螺線(xiàn)管磁場(chǎng)的性質(zhì)，并可讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路連接，開(kāi)闊思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

[1] 劉戰(zhàn)存，鄭余梅.霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[J].大學(xué)物理，2007,26(11):51-55.

[2] 洪國(guó)瑞.霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)[J].技術(shù)物理教學(xué)，2007,15(4):14-15.

[3] 曹偉然，段立永，趙啟博.霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和擴(kuò)展[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009,29(2):41-44.

[4] 錢(qián)鋒，潘人培.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社，2005.

[5] 于建勇.物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:科學(xué)出版社，2015.

[6] 趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1985.

[7] 倪燕如.系統(tǒng)誤差消除與對(duì)稱(chēng)測(cè)量法[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(6)：106-108+120.

[8] 魏奶萍.霍爾效應(yīng)法測(cè)量通電雙圓線(xiàn)圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)處理[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29(2)：10-113.

Introduction of Bifilar Wound Solenoid to Improve the Measurement of Hall Effect Experiment

QIN Li-xia,YU Jian-yong,DUAN Yi-feng

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116)

In the Hall-Effect experiment of college physics,the electric current along the solenoid coil is used to measure the sensitivity of Hall devices and to produce the magnetic field in the solenoid coil as unknown current.To overcome this shortage,we proposed a designing way to adopt two wires twined along the solenoid coil side by side to satisfy the different requirements.At the same time,we can also measure the total magnetic field in the solenoid coil.This will help the students to comprehensively understand the underlying mechanisms of Hall-Effect measurements by the solenoid coiland the properties of magnetic field in the solenoid coil,and to inspire the innovation ability of students to desire the novel experiments.

Hall effect；excitation current；bifilar wound solenoid

2016-04-15

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教學(xué)成果培育教改項(xiàng)目(2016YB37)

1007-2934(2016)05-0047-03

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.013