双线并绕螺线管引入霍尔效应测量螺线管磁场的实验改进

秦丽霞，于建勇，段益峰

(中国矿业大学，江苏 徐州 221116)



双线并绕螺线管引入霍尔效应测量螺线管磁场的实验改进

秦丽霞，于建勇，段益峰

(中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

针对大学物理实验中霍尔效应测量螺线管磁场实验中同一螺线管所通入电流既作为已知电流求霍尔元件的灵敏度又作为未知电流求螺线管的磁场这一不足，提出一种设计方法，采用双线并绕螺线管使两个电流进行有效区分，同时还可以测量螺线管内的叠加磁场，可使学生深刻全面理解霍尔效应测量螺线管磁场的原理及螺线管磁场的性质，并可作为设计性实验项目培养学生的创新意识。

霍尔效应；励磁电流；双线并绕螺线管

霍尔效应(Hall effect)是1879年由霍尔(Edwin H.Hall)在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的，它对后来发现电子及研究固体结构和原子结构起着重要的作用。霍尔效应是一种电磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。利用霍尔效应测量长直螺线管管内磁场分布情况是大学物理实验中的一个基本的实验项目[1-4]。目前，大学物理实验中的霍尔效应测螺线管磁场项目都是利用螺线管测定实验组合仪测量长直螺线管轴线上的磁场分布情况[4-6]。实验中学生很容易将测定霍尔元件灵敏度时螺线管上的励磁电流与测量长直螺线管轴线上磁感应强度时螺线管上的励磁电流混淆。为此我们提出一种改进方法，即采用双线并绕螺线管，将两次的励磁电流清楚区分。同时，根据双线并绕螺线管的特点，我们设计出多种电流情况下的螺线管磁场叠加下的磁感应强度测量的方案。该设计方法可使学生更深刻理解霍尔效应测量螺线管磁场的原理，也加深对螺线管磁场的认识和理解，并可让学生自主设计电路连接，测量不同连接方法时螺线管内的叠加磁场，开阔学生的思路，培养创新能力。

1 测量原理

图1 霍尔元件示意图

2 实验改进

本文引入双线并绕螺线管，如图2所示，通过给双线分别通电的方法区分已知磁场和待测磁场，在导线aa′中通入励磁电流IM，此时螺线管轴线上的磁感应强度可由公式(3)求出，该磁场作为标准磁场，将霍尔元件放在螺线管轴线上，给其通入工作电流IS，测量霍尔元件两端的电势差VH，即可根据公式(2)测出霍尔元件的灵敏度KH。再在导线bb'中通入励磁电流作为未知磁场的励磁电流，利用霍尔元件测量此时螺线管轴线上的磁感应强度分布。若将导线aa′和导线bb′并联，通入同向电流则螺线管轴线上的磁场叠加变强，通入反向电流则磁场相互减弱。若将导线aa′和导线bb′串联，则线圈匝数变为原来的两倍。同时将实验仪也进行改进设计如图3所示。综合以上几种情况，让学生自己设计线路连接，利用霍尔元件测量不同情况下的螺线管的磁场，发挥学生的主观能动性，加深对螺线管磁场性质的理解。

图2 螺线管示意图

3 结 论

本文提出了一种用双线并绕螺线管代替普通的单线螺线管的霍尔效应测量螺线管磁场的实验方案，解决了学生将测定霍尔元件灵敏度时螺线管上的励磁电流与测量长直螺线管轴线上磁感应强度时螺线管上的励磁电流混淆的问题。双线并绕螺线管的引入可以实现多种导线连接情况下螺线管磁场的叠加，可使学生更深刻理解螺线管磁场的性质，并可让学生自主设计电路连接，开阔思路，培养创新能力。

[1] 刘战存，郑余梅.霍尔效应的发现[J].大学物理，2007,26(11):51-55.

[2] 洪国瑞.霍尔效应实验[J].技术物理教学，2007,15(4):14-15.

[3] 曹伟然，段立永，赵启博.霍尔效应实验的改进和扩展[J].物理实验，2009,29(2):41-44.

[4] 钱锋，潘人培.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社，2005.

[5] 于建勇.物理实验教程[M].北京:科学出版社，2015.

[6] 赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社，1985.

[7] 倪燕如.系统误差消除与对称测量法[J].大学物理实验，2015，28(6)：106-108+120.

[8] 魏奶萍.霍尔效应法测量通电双圆线圈磁场数据处理[J].大学物理实验，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

中国矿业大学教学成果培育教改项目(2016YB37)

1007-2934(2016)05-0047-03

O 4-33

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