用线性霍尔元件组合“Arduino”开源电子平台测量磁感应强度

邹建中 胡 博

(江西省新余市第四中学，江西 新余 338031)

高中物理新课标选修3-1的《磁场》章末中,介绍了霍尔效应的现象及其相关特点、同时在课后拓展中还提出了一项“课题研究”——“由于霍尔元件体积很小,可以用来制作探测磁场的探头”． 而我们老师在平常的教学中,常常苦于各类磁感应强度的定量测量．要么装备价格昂贵的数字化实验装备,而笔者应用线性霍尔元件组合“Arduino”开源电子平台,设计出一套测量磁感应强度的简易装置,效果较好,现介绍如下:

1 线性霍尔元件的工作原理

图1

如图1所示,高h、宽为d的导体置于匀强磁场B中,当电流通过导体时,在导体板的上表面A和下表面A′之间产生电势差．

2 Arduino开源电子平台介绍

Arduino硬件平台本质上是一种以AVR系列微处理为核心的单片机开发板,具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口,可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集,由于应用广泛、用户众多,配套或兼容的传感器和外围设备非常多,只要合理利用,完全可以实现中学物理实验所需要的各类功能．我们采用Arduino Uno电路板作为数据采集器,如图2

图2

3 实验器材和原理

图3 图4

取一根硬的细朔料管G,将传感器T固定在管的一端,让连接3个脚的导线穿过管内,制成一个探头,如图5所示,图5(甲)中的传感器测量面与管的轴线垂直,适合探测测量通电螺旋管内的磁场,图5(乙)中的传感器测量面与管的轴线平行,适合于测量相互平行靠近的一对N,S磁极间的匀强磁场．

图5

将传感器和Arduino Uno电路板数据采集器组装测量平台如图6

图6

4 数据采集程序

#include

LiquidCrystal_I2C Icd(0x27,16,2);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

Icd.init();

Icd.backlight();

}

然而，随着浮选钛精矿产量的增加，浮选烘干工序又出现了新的难题——烘干尾气存有异味，严重影响人们的生活。倘若浮选钛精矿烘干尾气异味不能得到有效解决，将严重制约攀西地区钒钛磁铁矿的开发利用，尤其是钛铁矿的综合回收利用。

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系统连接3503型线性霍尔元件测量霍尔电压的全部代码,在IDE中编译下载到Arduino Uno电路板,即可实现霍尔电压的测定．

5 实验操作

图7

将图6中的探头伸入图7中的螺线管,如实物图8,9所示,用直流稳压电源E1给空心螺线管L通电．将探头沿着螺线管轴线O移动,从一端口进入,从另一端口移出,测量出若干点的磁感应强度．再与轴线旁沿着平行于轴线方向测量一次．还可以借助刻度尺确定各个测量点的位置数据．

图8

图9

6 数据处理与结论

(1) 记录x与U的数据(x为沿螺线管纵轴的坐标位置,U为数字电压表的读数,反映了磁感应强度的相对大小．)

表1 细长的螺线管,I=100mA

(2) 作U-x图像(如图10):

图10

结论:在细长的螺线管内中部区域是平行于轴线方向的匀强磁场

(3) 记录U与电流I的数据.

表2

(4) 拟合U、I图线.

由此可得:在已知K、d、U、I的前提下,磁感应强度B可求.

图11