用線性霍爾元件組合“Arduino”開(kāi)源電子平臺(tái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度

鄒建中 胡 博

(江西省新余市第四中學(xué)，江西 新余 338031)

高中物理新課標(biāo)選修3-1的《磁場(chǎng)》章末中,介紹了霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象及其相關(guān)特點(diǎn)、同時(shí)在課后拓展中還提出了一項(xiàng)“課題研究”——“由于霍爾元件體積很小,可以用來(lái)制作探測(cè)磁場(chǎng)的探頭”． 而我們老師在平常的教學(xué)中,常?？嘤诟黝惔鸥袘?yīng)強(qiáng)度的定量測(cè)量．要么裝備價(jià)格昂貴的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備,而筆者應(yīng)用線性霍爾元件組合“Arduino”開(kāi)源電子平臺(tái),設(shè)計(jì)出一套測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)易裝置,效果較好,現(xiàn)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(yuǎn)、寬為d的導(dǎo)體置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中,當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),在導(dǎo)體板的上表面A和下表面A′之間產(chǎn)生電勢(shì)差．

2 Arduino開(kāi)源電子平臺(tái)介紹

Arduino硬件平臺(tái)本質(zhì)上是一種以AVR系列微處理為核心的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板,具有13個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口和5個(gè)模擬輸入/輸出端口,可以通過(guò)外接傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理量的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集,由于應(yīng)用廣泛、用戶眾多,配套或兼容的傳感器和外圍設(shè)備非常多,只要合理利用,完全可以實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所需要的各類功能．我們采用Arduino Uno電路板作為數(shù)據(jù)采集器,如圖2

圖2

3 實(shí)驗(yàn)器材和原理

圖3 圖4

取一根硬的細(xì)朔料管G,將傳感器T固定在管的一端,讓連接3個(gè)腳的導(dǎo)線穿過(guò)管內(nèi),制成一個(gè)探頭,如圖5所示,圖5(甲)中的傳感器測(cè)量面與管的軸線垂直,適合探測(cè)測(cè)量通電螺旋管內(nèi)的磁場(chǎng),圖5(乙)中的傳感器測(cè)量面與管的軸線平行,適合于測(cè)量相互平行靠近的一對(duì)N,S磁極間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．

圖5

將傳感器和Arduino Uno電路板數(shù)據(jù)采集器組裝測(cè)量平臺(tái)如圖6

圖6

4 數(shù)據(jù)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(chǎn)量的增加，浮選烘干工序又出現(xiàn)了新的難題——烘干尾氣存有異味，嚴(yán)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(yán)重制約攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦的開(kāi)發(fā)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(tǒng)連接3503型線性霍爾元件測(cè)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(shí)現(xiàn)霍爾電壓的測(cè)定．

5 實(shí)驗(yàn)操作

圖7

將圖6中的探頭伸入圖7中的螺線管,如實(shí)物圖8,9所示,用直流穩(wěn)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(dòng),從一端口進(jìn)入,從另一端口移出,測(cè)量出若干點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度．再與軸線旁沿著平行于軸線方向測(cè)量一次．還可以借助刻度尺確定各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)．

圖8

圖9

6 數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

(1) 記錄x與U的數(shù)據(jù)(x為沿螺線管縱軸的坐標(biāo)位置,U為數(shù)字電壓表的讀數(shù),反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對(duì)大小．)

表1 細(xì)長(zhǎng)的螺線管,I=100mA

(2) 作U-x圖像(如圖10):

圖10

結(jié)論:在細(xì)長(zhǎng)的螺線管內(nèi)中部區(qū)域是平行于軸線方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)

(3) 記錄U與電流I的數(shù)據(jù).

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(yīng)強(qiáng)度B可求.

圖11