新型多功能螺线管内部磁场分布测量实验仪的制作方法

本实用新型涉及实验仪，尤其涉及一种新型多功能螺线管内部磁场分布测量实验仪。

背景技术：

螺线管磁场分布测量是大学物理学电学部分的一个重要实验项目，螺线管磁场分布不仅与线圈匝数有关，还与通过绕线圈导线中的电流大小有关，目前测量螺线管磁场分布实验仪在市场与物理实验室虽然有一些实验仪器装置，但是这些实验仪均存在一些缺陷：(1)实验所用螺线管没有固定装置；(2)实验者很难将霍尔传感器准确放在线圈中心位置以及在轴线方向移动；(3)无法在同一台实验仪上，既能测量螺线管轴线上磁场分布实验又能进行验证磁场叠加(或者说随匝数变化)的实验；(4)现有实验装置局部结构设计很不合理。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种新型多功能螺线管内部磁场分布测量实验仪。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种新型多功能螺线管内部磁场分布测量实验仪，包括三线圈螺线管正反向接线板、霍尔片电流供电线正反向接线板、三线圈螺线管连接开关接线板、三线圈螺线管电流供电线、霍尔片电流供电线、霍尔片固定铜管、三线圈螺线管、螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道和电控箱；

三线圈螺线管的三线圈分别为内层线圈、中层线圈与外层线圈，三线圈分别引出两根导线，内层线圈引出三线圈公用线和内层线圈导线，中层线圈引出三线圈公用线和中层线圈导线，外层线圈引出三线圈公用线和外层线圈导线；将内层线圈导线、中层线圈导线、外层线圈导线分别接在三线圈螺线管连接开关接线板的对应导线上，将内层线圈、中层线圈与外层线圈的三线圈公用线接在三线圈螺线管连接开关接线板的同导线上，三线圈螺线管连接开关接线板的输入端内层线圈导线、中层线圈导线、外层线圈导线以及三线圈公用线一同接在三线圈螺线管电流供电线上，并接至电控箱上；在三线圈螺线管电流供电线中间接有一个三线圈螺线管正反向接线板；在三线圈螺线管下方设置有三线圈螺线管标尺，螺线管固定支撑座底端位于螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上，螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上设有轨道标尺刻度和支撑座滑轴槽；

霍尔片固定在霍尔片固定铜管前端，霍尔片固定铜管上刻有铜管标尺刻度，霍尔片固定铜管末端固定在铜管固定支撑座上，并采用铜管阻挡螺凸螺进霍尔片固定铜管，铜管固定支撑座底端位于螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上；霍尔片电流供电线自霍尔片接出穿过霍尔片固定铜管、铜管阻挡螺凸进入电控箱；霍尔片电流供电线中间连有霍尔片电流供电线正反向接线板。

作为优选：三线圈螺线管靠霍尔片固定铜管一端设有霍尔片入螺线管口；三线圈螺线管上设有螺线管固定圈，螺线管固定圈包括三线圈螺线管固定座、三线圈螺线管固定圈转轴、三线圈螺线管活动固定圈和三线圈螺线管固定圈锁紧栓；三线圈螺线管通过螺线管固定支撑座固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上，三线圈螺线管下端设有螺线管升降支撑杆，螺线管升降支撑杆通过螺线管上下调节螺旋连接螺线管螺杆，螺线管螺杆下端设有螺线管支撑座滑座，螺线管支撑座滑座通过螺线管支撑座滑座固定螺丝固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上。

作为优选：霍尔片固定铜管末端采用铜管固定螺丝固定在铜管固定支撑座上，并采用铜管阻挡螺凸螺进霍尔片固定铜管；霍尔片固定铜管下端设有铜管升降支撑杆，铜管升降支撑杆下端通过铜管上下调节螺旋连接铜管上下调节螺杆，铜管上下调节螺杆下端设有铜管支撑座滑座，铜管支撑座滑座通过铜管支撑座滑座固定螺丝固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道上。

作为优选：电控箱上设置有电控箱电源开关、电控箱指示灯、霍尔电压显示荧光屏、霍尔电流显示荧光屏、霍尔电流调节旋钮、线圈电流显示荧光屏和线圈电流调节旋钮。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的整体结构设计思路新颖、方法可行，结构布局规范、合理；

2、采用了三线圈螺线管装置，即内层线圈、中层线圈和外层线圈，相当于将三个同轴线的螺线管套起来；

3、三线圈螺线管固定支撑座与霍尔片固定铜管固定支撑座分别采用了上下调节螺旋，很容易地将霍尔片(传感器)准确放在线圈中心位置与轴线方向上；

4、三线圈螺线管下方与霍尔片固定铜管上均分别设置了标尺刻度，方便实验者根据各标尺刻度计算，将霍尔片移动至三线圈螺线管指定位置；

5、本实用新型既能测量螺线管轴线上磁场分布情况，又能通过对三线圈分别接线与同时接线，来进行磁场叠加(或者说随匝数变化)的实验；

6、采用了三线圈螺线管连接开关接线板可以分别对三线圈分别通电，也可以对三线圈同时通电，从而完成磁场叠加的实验；

7、采用了正反向接线板方法可以实现分别对三线圈螺线管与霍尔片供电线电流的正反向通电，以便有利于消除由于不等位电势、爱廷豪森效应、伦斯脱效应与里纪—勒杜克效应产生的附加电势而引起的系统误差。

附图说明

图1为本实用新型的正视图；

图2为霍尔片放至三线圈螺线管中心位置的正视图；

图3为三线圈螺线管、霍尔片固定铜管与霍尔片的侧视图；

图4为三线圈螺线管、螺线管固定圈、螺线管支撑座与滑道的侧视图；

图5为霍尔片固定铜管、铜管阻挡螺凸与铜管支撑座的侧视图；

图6为电控箱的正视图；

图7为螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道的正视图；

图8为三线圈螺线管连接开关接线板的示意图；

图9为三线圈螺线管与霍尔片电流供电线正反向接线板俯视图；

图10为霍尔片测量霍尔电压原理图。

附图标记说明：1、三线圈螺线管正反向接线板，2、霍尔片电流供电线正反向接线板，3、三线圈螺线管连接开关接线板，4、三线圈螺线管电流供电线，5、霍尔片电流供电线，6、霍尔片固定铜管，6-1、霍尔片，6-2、铜管标尺刻度，6-3、铜管固定螺丝，6-4、铜管阻挡螺凸，6-5、铜管固定支撑座，6-51、铜管支撑座滑座，6-52、铜管支撑座滑轴，6-53、铜管支撑座滑座固定螺丝，6-54、铜管上下调节螺杆，6-55、铜管上下调节螺旋，6-56、铜管升降支撑杆，7、三线圈螺线管，7-1、内层线圈，7-10、三线圈公用线，7-11、内层线圈导线，7-2、中层线圈，7-22、中层线圈导线，7-3、外层线圈，7-33、外层线圈导线，7-4、三线圈螺线管标尺，7-5、霍尔片入螺线管口，7-7、螺线管固定支撑座，7-51、螺线管支撑座滑座，7-52、螺线管支撑座滑轴，7-53、螺线管支撑座滑座固定螺丝，7-54、螺线管螺杆，7-55、螺线管上下调节螺旋，7-56、螺线管升降支撑杆，7-6、螺线管固定圈，7-61、三线圈螺线管固定座，7-62、三线圈螺线管固定圈转轴，7-63、三线圈螺线管活动固定圈，7-64、三线圈螺线管固定圈锁紧栓，8、螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道，8-1、轨道标尺刻度，8-2、支撑座滑轴槽，9、电控箱，9-1、电控箱电源开关，9-2、电控箱指示灯，9-3、霍尔电压显示荧光屏，9-4、霍尔电流显示荧光屏，9-5、霍尔电流调节旋钮，9-6、线圈电流显示荧光屏，9-7、线圈电流调节旋钮。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

所述新型多功能螺线管内部磁场分布测量实验仪包括：三线圈螺线管正反向接线板1、霍尔片电流供电线正反向接线板2、三线圈螺线管连接开关接线板3、三线圈螺线管电流供电线4、霍尔片电流供电线5、霍尔片固定铜管6、三线圈螺线管7、螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8、电控箱9。

三线圈螺线管7是在基圈上缠绕三个匝数完全相同的三层线圈，分别为内层线圈7-1、中层线圈7-2与外层线圈7-3，三线圈分别引出两根导线，内层线圈7-1引出三线圈公用线7-10和内层线圈导线7-11，中层线圈7-2引出三线圈公用线7-10和中层线圈导线7-22，外层线圈7-3引出三线圈公用线7-10和外层线圈导线7-33。将内层线圈导线7-11、中层线圈导线7-22、外层线圈导线7-33分别接在三线圈螺线管连接开关接线板3的对应导线上，将内层线圈7-1、中层线圈7-2与外层线圈7-3的三线圈公用线7-10接在三线圈螺线管连接开关接线板3的同一根导线上，三线圈螺线管连接开关接线板3的输入端内层线圈导线7-11、中层线圈导线7-22、外层线圈导线7-33以及三线圈公用线7-10一同接在三线圈螺线管电流供电线4的导线上，并接至电控箱9上。在三线圈螺线管电流供电线4中间接有一个三线圈螺线管正反向接线板1，用来改变内层线圈7-1、中层线圈7-2和外层线圈7-3的电流方向。三线圈螺线管7由螺线管固定圈7-6和螺线管固定支撑座7-7固定支撑，在三线圈螺线管7下方设置有三线圈螺线管标尺7-4，螺线管固定支撑座7-7底端位于螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上，螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上设有轨道标尺刻度8-1和支撑座滑轴槽8-2。如图1、2、3、4、7、8、9所示。

将霍尔片6-1(为正方形)固定在霍尔片固定铜管6前端，霍尔片固定铜管6上刻有铜管标尺刻度6-2，霍尔片固定铜管6末端固定在铜管固定支撑座6-5上，并采用铜管固定螺丝6-3固定，为防止霍尔片固定铜管6脱落，在霍尔片固定铜管6末端采用铜管阻挡螺凸6-4螺进霍尔片固定铜管6，铜管固定支撑座6-5底端位于螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上。霍尔片电流供电线5自霍尔片6-1接出穿过霍尔片固定铜管6、铜管阻挡螺凸6-4进入电控箱9。霍尔片电流供电线5中间连有霍尔片电流供电线正反向接线板2。根据实验目的以及通过铜管标尺刻度6-2、螺线管标尺刻度7-4与轨道标尺刻度8-1的简单计算，可以得出霍尔片6-1在三线圈螺线管7的准确位置。螺线管固定支撑座7-7和铜管固定支撑座6-5在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上移动过程中，可以通过分别对螺线管固定支撑座7-7的螺线管上下调节螺旋7-55与铜管固定支撑座6-5的铜管上下调节螺旋6-55进行上下调节，使之霍尔片固定铜管6与三线圈螺线管7中心轴线重合。在螺线管固定支撑座7-7与铜管固定支撑座6-5的位置确定后，即霍尔片6-1相对应三线圈螺线管7的准确位置确定后，还可以采用铜管支撑座滑座固定螺丝6-53与螺线管支撑座滑座固定螺丝7-53分别将铜管固定支撑座6-5与螺线管固定支撑座7-7锁定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上。如图1、2、4、5、7所示。

三线圈螺线管7靠霍尔片固定铜管6一端设有霍尔片入螺线管口7-5；三线圈螺线管7上设有螺线管固定圈7-6，螺线管固定圈7-6包括三线圈螺线管固定座7-61、三线圈螺线管固定圈转轴7-62、三线圈螺线管活动固定圈7-63和三线圈螺线管固定圈锁紧栓7-64；三线圈螺线管7通过螺线管固定支撑座7-7固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上，三线圈螺线管7下端设有螺线管升降支撑杆7-56，螺线管升降支撑杆7-56通过螺线管上下调节螺旋7-55连接螺线管螺杆7-54，螺线管螺杆7-54下端设有螺线管支撑座滑座7-51，螺线管支撑座滑座7-51通过螺线管支撑座滑座固定螺丝7-53固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上。如图1、2、4所示。

霍尔片固定铜管6末端采用铜管固定螺丝6-3固定在铜管固定支撑座6-5上，并采用铜管阻挡螺凸6-4螺进霍尔片固定铜管6；霍尔片固定铜管6下端设有铜管升降支撑杆6-56，铜管升降支撑杆6-56下端通过铜管上下调节螺旋6-55连接铜管螺杆6-54，铜管螺杆6-54下端设有铜管支撑座滑座6-51，铜管支撑座滑座6-51通过铜管支撑座滑座固定螺丝6-53固定在螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8上。如图1、5所示。

电控箱9上设置有电控箱电源开关9-1、电控箱指示灯9-2、霍尔电压显示荧光屏9-3、霍尔电流显示荧光屏9-4、霍尔电流调节旋钮9-5、线圈电流显示荧光屏9-6、线圈电流调节旋钮9-7。如图6所示。最后分别将各个部分规划固定在一个实验板上。

一、霍尔片结构与测量磁场原理

如图10所示，将霍尔片6-1连接霍尔片电流供电线5接至电控箱9，给霍尔片6-1通电流I，螺线管内部磁场B垂直穿过霍尔片6-1表面，此时，霍尔片6-1内部的正电子(+e)、负电子(-e)受到洛仑磁力作用引起偏转，这种偏转导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷积聚，即在霍尔片6-1C的一边形成正电荷，A的一边形成负电荷，稳定后便形成一附加横向电场EH。从而在霍尔片6-1横向两侧(A、C两端)产生一霍尔电压VH：

比例系数称为霍尔系数。由此可以看出：通过采用霍尔片6-1测量霍尔电压VH，电控箱9的霍尔电压显示荧光屏9-3上会显示霍尔片6-1在螺线管轴线上不同位置上的霍尔电压VH。

二、实验操作步骤

1、调节与接线方法

(1)电控箱的调节方法：将电控箱9的相关连线连接好，打开电控箱电源开关9-1，电控箱指示灯9-2亮，分别旋转霍尔电流调节旋钮9-5与线圈电流调节旋钮9-7，使之霍尔电流显示荧光屏9-4与线圈电流显示荧光屏9-6显示实验所需要的电流，霍尔电压显示荧光屏9-3就会显示霍尔片6-1处于三线圈螺线管7相应位置的霍尔电压VH；

(2)三线圈螺线管连接开关接线板的接线方法：分别将内层线圈7-1、中层线圈7-2与外层线圈7-3的三线圈公用线7-10接在三线圈螺线管连接开关接线板3的同一根导线上，将内层线圈导线7-11、中层线圈导线7-22、外层线圈导线7-33分别接至三线圈螺线管连接开关接线板3上的a、b、c接线柱上，使之内层线圈7-1、中层线圈7-2和外层线圈7-3上电流的流动方向始终一致；

(3)三线圈螺线管与霍尔片供电线电流正反向接线板：三线圈螺线管电流供电线4靠近三线圈螺线管7一端的接线头15-接线头10、接线头16-接线头9对应连接，靠近电控箱9一端的接线头18-接线头7、接线头17-接线头8对应连接，正接时接线头1-接线头6、接线头2-接线头5对应连接，反接时接线头1-接线头4、接线头2-接线头3对应连接。霍尔片电流供电线5靠近霍尔片6-1一端的接线头12-接线头9、接线头11-接线头10对应连接，靠近电控箱9一端的接线头13-接线头8、接线头14-接线头7对应连接，正接时接线头1-接线头6、接线头2-接线头5对应连接，反接时接线头1-接线头4、接线头2-接线头3对应连接。需要说明的是：采用该接线板采用正反接法，即改变Is和B的方向，其目的是消除由于热效应与热磁效应引起的各种付效应产生的附加电势而引起的系统误差。

2、实验调节步骤

2.1螺线管轴线上磁场随样品电流与霍尔片位置变化关系实验步骤

(1)按图1连接好电路，根据测量目标，比如测量螺线管轴线上磁场分布情况实验，可以只采用一个线圈(内层线圈7-1)，可将三线圈螺线管连接开关接线板3上的K1接至a上，这样内层线圈7-1接通；

(2)打开电控箱9的电控箱电源开关9-1，电控箱指示灯9-2亮，根据实验前的设计要求，旋转霍尔电流调节旋钮9-5与线圈电流调节旋钮9-7，分别设置霍尔电流与线圈电流大小，其大小数值可以通过霍尔电流显示荧光屏9-4与线圈电流显示荧光屏9-6分别显示出来；

(3)根据测量三线圈螺线管7轴线上不同位置处磁场的大小，沿着螺线管与霍尔片固定铜管支撑座滑道8方向移动铜管固定支撑座6-5，实验者根据各标尺刻度与要测量的三线螺线管7轴线上的磁场位置，将霍尔片6-1准确放置在三线圈螺线管7轴线上待测量位置进行测量，如图2所示；

(4)读出并填写霍尔片6-1在三线螺线管7轴线上不同位置处传输至电控箱9上的霍尔电压VH，这些霍尔电压VH会在霍尔电压显示荧光屏9-3上一一显示出来；

(5)根据霍尔电压VH与磁场的关系以及表格中的实验数据，分别绘制出三线圈螺线管7轴线中心磁场随霍尔电流(B-Is)变化关系曲线，以及三线圈螺线管7轴线上的磁场随三线圈螺线管7轴线上不同位置(B-x)的变化曲线。

2.2螺线管内部磁场叠加性的实验步骤

(6)如图1所示，将电路连接好，根据实验测量目标，即测量三线圈螺线管7轴线上磁场随位置的变化关系曲线，将内层线圈7-1、中层线圈7-2与外层线圈7-3的三线圈公用线7-10接至三线圈螺线管连接开关接线板3的同一根导线上，将内层线圈导线7-11、中层线圈导线7-22、外层线圈导线7-33分别接至三线圈螺线管连接开关接线板3上的a、b、c接线柱上；

(7)将三线圈螺线管连接开关接线板3上的K1、K2、K3分别接至a、b、c接线柱上，以及K1、K2同时接至a、b接线柱上，或K1、K2、K3同时接至a、b、c接线柱上，分别测量三线圈螺线管7的内层线圈7-1、中层线圈7-2和外层线圈7-3或同时对应串接后，三线螺线管轴线上磁场随位置的变化关系；

(8)根据如上接法，按照“2.1螺线管轴线上磁场随样品电流与位置变化关系”实验步骤，分别重复(3)-(5)的实验步骤，分别测量出三线圈螺线管7的内层线圈7-1、中层线圈7-2和外层线圈7-3轴线上不同位置处的霍尔电压VH以及内层线圈7-1、中层线圈7-2或者内层线圈7-1、中层线圈7-2和外层线圈7-3分别串接情况下三线螺线管轴线上不同位置处的霍尔电压VH，并根据霍尔电压VH与磁场的关系转化为磁场，记录在实验前绘制好的表格内；

(9)根据表格记录的霍尔电压VH实验数据所转化为磁场(B)与对应的位置(x)数据，在同一个平面直角坐标系上，分别绘制出磁场随位置变化(B-x)的关系曲线，根据磁场随位置变化(B-x)的关系曲线来检验磁场是否具有叠加性，即通过观察与计算看和的磁场是否等于对应各个分磁场的和。

三、实验原理

测量螺线管中心磁场与霍尔电流关系(B-Is)，只要采用霍尔片6-1在该位置测量出霍尔电压与霍尔电流(VH-IS)关系，霍尔电压VH采用公式转化为磁场B；同理，要测量螺线管轴线上磁场随位置变化(磁场分布)(B-X)关系，只要测量出螺线管轴线上霍尔电压随位置变化(VH-X)关系；以及测量螺线管轴线上磁场的叠加性实验，即不同线圈分别测量其磁场，再将多个线圈串联起来测量其磁场，看其是否等于各个线圈在相同条件下的磁场之和，也就是不同线圈分别测量其霍尔电压，再将多个线圈串联起来测量其霍尔电压，看其是否等于各个线圈在相同条件下的霍尔电压之和。

在测量霍尔电压时，采用了四种接法，即霍尔电流正反接，线圈(励磁)电流的正反接，所组成的四种接法，会得到4个电压分别是V1、V2、V3、V4，其霍尔电压为：

根据毕奥—萨伐尔定律，对于长度为2L，匝数为N1，半径为R的螺线管离开中心点X处的磁感应强度为：

其中，u0＝4π×10^-7N/A²，为真空磁导率；n＝N1/2L，为单位长度的匝数；IM为螺线管内电流；本实验的螺线管的N1＝1800匝，螺线管长度L＝180mm。

对于“无限长”螺线管，L>>R，所以B0＝μ0n IM，对于“半无限长”螺线管，在端点处有X＝L，且L>>R，所以BL＝μ0n I/2。