实验 磁场分布图表.doc

实验（一） 研究不同形状的磁头对磁场分布的影响1 目标:利用不同形状的磁极头对U形电磁铁提供的磁场进行集束处理,利用集成霍尔元件对磁极头间空气隙内磁场进行测量;研究磁极头间隙内磁场分布特点,研究截面积和边界条件对磁场分布的影响,了解磁场形状设计对磁场分布特点影响。2 实验步骤:A）、根据磁极头截面积从大到小的顺序编号为1、2、3、4,如下所示B）、将一对编号为1的磁极头置于磁集束区域线圈上,连接好电路,接通电源后记录U0C）、集成霍尔元件从16cm处以1cm为间距移动至27cm处,记录每个位置处霍尔电压D）、对编号为2、3、4的各对磁极头重复步骤2、3,记录整理数据得到下面数据表格：3作图分析此图表现出随着游标卡尺位置的变化（实际就是测量位置从中间向缘扩展），霍尔效应的电压值先缓慢减小；当到达2cm左右位置的时候迅速下降；当达到2.5cm是下降速度又减缓。这说明了，在集束铁芯中间区域，磁场可以看做是匀强磁场，在磁极边缘区域，磁场迅速减小直至为零。（由于游标卡尺位置的限制，没有测量到磁场为零的位置）鉴于以前做实验的经验，这次测量数据过程中特意将每组数据的间隔拉的比较小，以便得到更加精确的实验图像，但经过分析可知，删掉其中一部分点对图像的整体影响不是很大，因为每组数据之间差异较小，这是在设计实验的过程中所木有想到的。 在整个实验过程中，电流基本上是恒定不变的，所以可以对以上四个图标作纵向对比分析可知，随着磁头横截面积的减小，霍尔效应的电压值迅速减小的越来越快，而且在集束铁芯中间区域的匀强磁场区域越来越小随着磁头横截面积的减小。4.小结：在平稳过渡阶段，可见情形3*3的磁场最大，也就是说它的励磁电流也是最大的。下面情况依次类推。然后，我们可以清楚地看到，从1*14*4的迅速变化阶段，4*4的变化最早，变化最为平稳。这是和磁极的形状有关的。4*4的平行磁极的面积相对最小，这使它变化最早；又因为它相对的磁极不是直接减为零的，所以它的变化是最慢的。也就是说，4*4磁极产生的磁感应强度集中区域最少，相对分散区域最大。而1*1的情形恰好相反，磁极对应面积最大，然后迅速变为零。实验（二） U形磁路的研究 1. 目标:将U形铁芯上的励磁线圈的通电方式进行不同形式的串并联组合,利用集成霍尔元件对空气间隙内磁场进行测量,研究空气间隙内磁场强度分布特点;2. 实验步骤:A）将连接有霍尔元件的接线端接入到u形磁路所对应的线圈的插孔,接入电压表记录电压表的初值U0,考虑到数值会有波动取显示的一个数B）连接并检查线路后将U1串入,接通电源,调节移动标尺架的调节旋钮使得条形铁芯使其距离从24mm以2mm为间距移动到50mm,再移动到51mm极限位置,记录每个位置处的数值C）将U1和U3串联并保证电流同向后重复步骤b,记录数据,再使得U1和U3串联但电流反向,重复步骤b记录数据表2-1U形铁芯A端磁场分布测量数据I=1.173AU0/VU1单独作用U1&U3串联电流同向作用U1&U3串联电流反向组合U1值理论估计-0.53Dm(空气隙)/mmU1(m)/vU1(r)/vU13(m)/vU13(r)/vU31(m)/vU31(r)/vU1(t)/v31.5-0.442 0.088 -0.359 0.171 -0.549 -0.019 0.076 29.5-0.448 0.082 -0.361 0.169 -0.557 -0.027 0.071 27.5-0.454 0.076 -0.362 0.168 -0.568 -0.038 0.065 25.5-0.461 0.069 -0.365 0.165 -0.581 -0.051 0.057 23.5-0.471 0.059 -0.367 0.163 -0.598 -0.068 0.048 21.5-0.484 0.046 -0.371 0.159 -0.620 -0.090 0.035 19.5-0.501 0.029 -0.376 0.154 -0.645 -0.115 0.020 17.5-0.523 0.007 -0.384 0.146 -0.682 -0.152 -0.003 15.5-0.554 -0.024 -0.394 0.136 -0.729 -0.199 -0.032 13.5-0.590 -0.060 -0.408 0.122 -0.797 -0.267 -0.073 11.5-0.655 -0.125 -0.428 0.102 -0.892 -0.362 -0.130 9.5-0.742 -0.212 -0.459 0.071 -1.033 -0.503 -0.216 7.5-0.881 -0.351 -0.503 0.027 -1.251 -0.721 -0.347 5.5-1.102 -0.572 -0.571 -0.041 -1.641 -1.111 -0.576 4.5-1.281 -0.751 -0.618 -0.088 -1.912 -1.382 -0.735 表2-2B端U形铁芯磁场分布测量数据I=1.173AU0/VU1单独作用U1&U3串联电流同向作用U1&U3串联电流反向组合U1值理论估计-0.43dm/mmU(m)/vU(r)/vU(m)/vU(r)/vU(m)/vU(r)/vU(t)/v4.5-0.343 0.087 -0.492 -0.062 -0.057 0.373 0.156 5.5-0.345 0.085 -0.501 -0.071 -0.060 0.370 0.150 7.5-0.348 0.082 -0.513 -0.083 -0.065 0.365 0.141 9.5-0.351 0.079 -0.527 -0.097 -0.070 0.360 0.132 11.5-0.355 0.075 -0.545 -0.115 -0.077 0.353 0.119 13.5-0.361 0.069 -0.569 -0.139 -0.086 0.344 0.103 15.5-0.369 0.061 -0.598 -0.168 -0.097 0.333 0.083 17.5-0.380 0.050 -0.638 -0.208 -0.113 0.317 0.055 19.5-0.394 0.036 -0.391 0.039 -0.133 0.297 0.168 21.5-0.414 0.016 -0.764 -0.334 -0.162 0.268 -0.033 23.5-0.445 -0.015 -0.875 -0.445 -0.201 0.229 -0.108 25.5-0.490 -0.060 -1.034 -0.604 -0.158 0.272 -0.166 27.5-0.565 -0.135 -1.281 -0.851 -0.353 0.077 -0.387 29.5-0.681 -0.251 -1.758 -1.328 -0.529 -0.099 -0.714 31.5-0.775 -0.345 -2.144 -1.714 -0.681 -0.251 -0.983 3、图表分析：（1）、由中间曲线可知，理论上u与dm的关系与本次实验所测得的数据基本一致，两条曲线基本吻合，误差较小，足以说明本次实验设计的合理性和精确性。（2）对比三条所测数据曲线可知，u1单独作用时磁场大小居中，而且变化较为和缓，u1与u3串联电流同向磁场增强，反向磁场磁场减弱，而且随着Dm的变化磁场变化率较大，其主要原因由于反向电流产生的磁场相互抵消了一部分，分布较为稀疏，尤其处于边缘的磁场其强大非常微弱，从而随着dm的变化较为剧烈。（3）由图分析得到U形磁路的磁场分布特点是:距离AB端较近的空气隙内磁场强度较强,随空气隙距离增大,磁场迅速减弱至接近于0（4）U1单独作用的U-dm曲线最后并不稳定在0值,是由于该U形磁路产生磁场有磁感线从AB端发射到无穷远处,故测得磁场强度不为0(5)在B端U形磁路研究U-dm曲线中出现了一个突出点，在这个点磁场是突变增大的，虽然测量数据中U1单独作用时没有测到这个点，但根据理论上的计算这个突出点是实际存在的，那么为什么会存在这样一个点，这个点是不是多余？通过查找资料，才发现这个点并非是由于实验操作过程中失误带来的，而是由于当测量位置向线圈边缘靠拢的时候，整个线圈其他位置产生的磁场在这一点很小，而靠近此点的线圈却能起到特别大的作用。而其他地方（靠进中心轴的那些点）的磁场受到各处磁场的相互制约。4、小结：通过U形铁芯上的励磁线圈的通电方式不同串并联组合,验证了所产生的空气隙内磁场强度的分布具有叠加性;通过对U1&U3串联电流同向U1&U3串联电流反向的数据和图表比较,比较充分的验证明了磁路的基尔霍夫第二定律。实验（三） E形磁路研究1、目标:将E形铁芯上的励磁线圈的通电方式进行不同形式的串并联组合,利用集成霍尔元件对空气间隙内磁场进行测量,研究空气间隙内磁场强度分布特点;研究简单磁路的基本规律.2、实验步骤:A）将连接有霍尔元件的接线端接入到E形磁路所对应的线圈的插孔；B）将霍尔元件放在A端,接入电压表记录电压表的初值U0,考虑到数值会有波动取显示的一个数；C）连接并检查线路后将E1&E4串联电流同向,接通电源,调节移动标尺架的调节旋钮使得条形铁芯使其距离从17mm以1mm为间距移动到30mm,记录每个位置处的数值；D）将E2和E3串入并保证电流同向后,记录电压表的初始示数,再重复步骤c；E）将霍尔元件放在B端,重复步骤b后续操作和c和d；F）将霍尔元件放在c端,重复步骤b后续操作和c和d；数据记录如下:表3-1E1&E4串联电流同向(边缘线圈)I=1.156AU0/VABC-0.43dm/mmU(m)/vU(r)/vU(m)/vU(r)/vU(m)/vU(r)/v5.6-1.981 -1.551 -0.670 -0.240 1.903 2.333 6.6-1.655 -1.225 -0.600 -0.170 1.644 2.074 7.6-1.500 -1.070 -0.560 -0.130 1.414 1.844 8.6-1.354 -0.924 -0.540 -0.110 1.280 1.710 9.6-1.253 -0.823 -0.520 -0.090 1.169 1.599 10.6-1.157 -0.727 -0.510 -0.080 1.066 1.496 11.6-1.091 -0.661 -0.500 -0.070 0.995 1.425 12.6-1.035 -0.605 -0.490 -0.060 0.940 1.370 13.6-0.989 -0.559 -0.490 -0.060 0.889 1.319 14.6-0.955 -0.525 -0.490 -0.060 0.848 1.278 15.6-0.924 -0.494 -0.490 -0.060 0.821 1.251 16.6-0.896 -0.466 -0.490-0.0600.788 1.218 17.6-0.875 -0.445 -0.490 -0.0600.766 1.196 18.6-0.868 -0.438 -0.490 -0.0600.749 1.179 表3-2 E2和E3串联电流同向(中间两个)A(U0=-0.045v)BC(u0=-0.042v)dm/mmU(m)/vU(r)/vU(m)/vU0/vU(r)/vU(m)/vU(r)/v5.6-0.796 -0.751 1.388 0.000 1.388 -0.791 -0.749 6.6-0.656 -0.611 1.199 0.000 1.199 -0.661 -0.619 7.6-0.562 -0.517 1.092 -0.020 1.112 -0.554 -0.512 8.6-0.490 -0.445 0.967 -0.060 1.027 -0.486 -0.444 9.6-0.448 -0.403 0.879 -0.090 0.969 -0.437 -0.395 10.6-0.399 -0.354 0.820 -0.120 0.940 -0.393 -0.351 11.6-0.369 -0.324 0.767 -0.140 0.907 -0.362 -0.320 12.6-0.344 -0.299 0.719 -0.160 0.879 -0.334 -0.292 13.6-0.324 -0.279 0.684 -0.170 0.854 -0.316 -0.274 14.6-0.309 -0.264 0.653 -0.190 0.843 -0.300 -0.258 15.6-0.295 -0.250 0.626 -0.200 0.826 -0.285 -0.243 16.6-0.285 -0.240 0.604 -0.200 0.804 -0.273 -0.231 17.6-0.274 -0.229 0.587 -0.220 0.807 -0.265 -0.223 18.6-0.268 -0.223 0.571 -0.220 0.791 -0.258 -0.216 3、图表分析：（1）、对比E1&E4串联电流同向(边缘线圈)磁场分布曲线图和E2&E3串联电流同向(中间线圈)磁场分布曲线图可知，不同线圈的串联对霍尔元件的A、B、C磁场分布的影响是不同的。（2）由第一个图表可知：E1&E4串联电流同向(边缘线圈)的磁场分布是对称的，并且随着dm的减小（即越靠近端点）磁场的变化率越大，最终趋于一个常数。4小结： E形铁芯上的励磁线圈通电方式不同形式的串并联组合,对磁场的分布的影响是不同的，边缘线圈串联有利于磁场的增强，中间线圈的串联可能对磁场有削弱作用。 实验（四） 亥姆霍次线圈间距、不同轴线对磁场分布的影响1、目标：研究两个线圈中电流方向相同情况下不同间距不同平面以及不同轴线的磁场分布2、实验步骤：A）将连接有霍尔元件的接线端接入到亥姆霍次线圈的插孔；B）将将电压表拨到霍尔元件一端,接入电压表记录电压表的初值U0,考虑到数值会有波动取显示的一个数；C）具体就是先确定可动圆筒的位置（确定两个线圈的间距，然后侧三个位置：轴线、偏心、边缘的磁场分布），然后通过变化测量标尺的位置来测量磁场亥姆霍次线圈U0/V轴线位置偏心位置边缘位置-1.475dm/cmU(m)/vU(r)/vU( m)/vU(r)/vU(m)/vU(r)/v25-1.310 0.165 -1.302 0.173 -1.274 0.201 50-1.312 0.163 -1.307 0.168 -1.278 0.197 75-1.349 0.126 -1.348 0.127 -1.352 0.123 100-1.387 0.088 -1.390 0.085 -1.396 0.079 125-1.408 0.067 -1.411 0.064 -1.418 0.057 150-1.414 0.061 -1.461 0.014 -1.424 0.051 175-1.404 0.071 -1.405 0.070 -1.414 0.061 200-1.382 0.093 -1.383 0.092 -1.384 0.091 225-1.367 0.108 -1.360 0.115 -1.348 0.127 250-1.375 0.100 -1.372 0.103 -1.365 0.110 3、图表分析：我们先来分析下上图中曲线的变化趋势。可见电压是先增大的，达到极大值后又迅速减小，然后到大约150cm处达到极小值，之后又有