用霍尔元件测螺线管轴线磁场分布

用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布华中农业大学理学院应用物理系物理实验教学中心基于霍尔效应的霍尔元件可用于测量磁感应强度和电流，在测量技术、自动控制、磁流体发电等科学技术的许多领域中具有广泛应用.前言实验任务——利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度的分布.完成这一实验任务，必须做以下工作：仪器调节(将仪器调节到标准工作状态).仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系).测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.关键提示本实验关键点如下：1.接线2.调标准工作状态3.定标：固定位置、改变励磁电流4.测量：固定励磁电流、改变位置请按以上关键点阅读以下材料。实验原理现象——霍尔效应载流导体薄板处在方向垂直于电流的磁场中时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电势差——霍尔电压VH.理论分析磁场中运动载流子受洛伦兹力作用电荷聚集形成电场电场力与洛伦兹力达到平衡，形成稳定电压VHmA-BfSIvBbdEfmVHVbVeBeHv又考虑到(n为载流子浓度)dbneISv实验原理bVeBeHvdBIneVSH1BIKVSHH即：KH=1/(ned)称为霍尔元件的灵敏度.IS为流过霍尔元件的电流，即其工作电流.——确定VH和IS即可求得磁感应强度的量值.实验装置FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪包括集成霍耳传感器探测棒、螺线管、直流稳压电源、直流稳压电源、数字电压表、双刀和单刀换向开关及导线若干.实验装置本实验仪采用SS95A型集成霍尔传感器，内部结构如图：霍耳元件放大器V+(+)V-(-)VOUT剩余电压补偿器在零磁场条件下，调节V+、V-所接的电源电压，使输出电压为2.500V时，传感器工作电流即为标准工作电流.SHSHIKVIKVB').(5002V为霍尔传感器输出电压标准工作电流下磁场与霍尔元件输出电压的关系为：测量时霍尔传感器必须处于标准工作电流下.V+和V-构成电流输入端Vout和V-构成电压输出端V’是用2.500V外接电压补偿后的输出值.实验内容：仪器调节一.需连接以下电路:连接给螺线管提供励磁电流的电路.连接给霍尔元件提供工作电流(IS)的电路.连接输出霍尔电压的电路.连接外接补偿电压(2.500V)的电路.•详见下页图示.FDFD--ICHICH--IIII新型螺线管磁场测定仪新型螺线管磁场测定仪——电电源源mAmAVVmVmVONON励磁恒流输出励磁恒流输出++--电压输入电压输入++--2.4V~2.6V4.8V~5.2V上海复旦天欣科教仪器有限公司上海复旦天欣科教仪器有限公司K220VOUT1V+V_K1集成霍耳元件123数字电流表数字电压表位置读数实验内容：仪器调节为螺线管提供励磁电流(流过螺线管的电流)，产生磁场.V+和V-:给霍尔元件提供工作电流Vout和V-:输出霍尔电压外接2.500V补偿电压注意：V+、V-不能接反，否则将损坏元件.FDFD--ICHICH--IIII新型螺线管磁场测定仪新型螺线管磁场测定仪——电电源源mAmAVVmVmVONON励磁恒流输出励磁恒流输出++--电压输入电压输入++--2.4V~2.6V4.8V~5.2V上海复旦天欣科教仪器有限公司上海复旦天欣科教仪器有限公司K220VOUT1V+V_K1集成霍耳元件123数字电流表数字电压表位置读数调节外接2.500V补偿电压调节霍尔元件工作电流双刀换向开关K2用于改变励磁电流的方向.显示励磁电流大小调节励磁电流集成霍尔元件霍尔元件位置读数显示霍尔元件输出电压.量程切换实验内容：仪器调节二.将霍尔元件的工作电流调节为标准工作电流将开关K1指向位置1，调节4.8V—5.2V电源输出电压，使数字电压表显示的“Vout”和“V-”间的电压为2.500V，此时集成霍尔元件达到标准化工作状态，即流过霍尔元件的电流为标准工作电流，且剩余电压恰好补偿，V0=0V.断开开关K2，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下.K2仍断开，保持V+和V-电压不变，把开关K1指向2，调节2.4V—2.6V的外接补偿电压，使数字电压表在mV档的示值为0，即用一个外接2.500V电位差对传感器输出的2.500V电位差进行补偿，以便可直接读出V’.三.对传感器输出的2.500V电位差进行补偿实验内容：仪器调节霍尔元件置于螺线管中央，改变励磁电流IM(0-500mA)，测量V’-IM关系(测10组数据).注意区分IS与IMMIDLNB220螺线管中央处磁感应强度与励磁电流的关系:霍尔元件的灵敏度K=KHIS为:MIVNDLBVK022绘制V’-IM关系曲线，计算斜率.MIV'实验内容：灵敏度的测定方法：霍尔元件位置固定(置于螺线管的中央)，改变励磁电流.目的：确定霍尔电压与磁感应强度的关系.霍尔电压与磁感应强度的关系:KVB•注意：两端的磁场变化快而中间变化慢，测量点在两边应比中间取得密一些用测得的轴线上各点的磁感应强度，绘制螺线管轴线上磁场的分布曲线.励磁电流为0时，霍尔电压总为0吗？IM=0时，由于地磁场的存在，VH不一定为0，怎样消除地磁场的影响？每个点IM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响.实验内容：螺线管轴线磁场分布的测量方法：保持励磁电流不变(250mA)，改变霍尔元件位置(0~30.0cm)，霍尔测量螺线管轴线上各点的电压，并利用上面已测定的灵敏度计算各点的磁感应强度.实验数据例——灵敏度的测定Im/mA050100150200250300350400450500U/mV022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0表1测量霍尔电压(已放大)与励磁电流IM的关系(霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cm处)0501001502002500100200300400500600螺线管通电电流Im/mA霍尔电势差U/mV霍尔电压与励磁电流的关系曲线：实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(表2：螺线管内磁感应强度B与位置X的关系)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT1.009.0-8.88.900.291.5012.5-12.412.450.412.0017.8-17.817.800.582.5025.7-25.625.650.843.0038.4-38.338.351.263.5054.6-54.554.551.794.0071.1-70.971.002.334.5084.5-84.484.452.775.0093.6-93.493.503.075.5098.9-98.698.753.246.00102.5-102.2102.353.366.50104.8-104.5104.653.437.00106.3-105.9106.103.487.50107.3-106.9107.103.51实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(续表2)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT8.00108.0-107.6107.803.539.00108.9-108.4108.653.5610.00109.2-108.7108.953.5711.00108.9-108.4108.653.5612.00108.7-108.2108.453.5613.00109.2-108.6108.903.5714.00109.7-109.2109.453.5915.00110.2-109.5109.853.6016.00110.4-109.8110.103.6117.00110.7-110.1110.403.6218.00110.7-110.1110.403.6219.00110.6-109.8110.203.6120.00110.6-109.9110.253.6121.00110.5-109.8110.153.6122.00110.2-109.4109.803.60实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(续表2)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT23.00109.9-109.2109.553.5924.00109.7-108.9109.303.5824.50109.5-108.6109.053.5825.00109.1-108.2108.653.5625.50108.5-107.6108.053.5426.00107.6-106.6107.103.5126.50106.1-105.1105.603.4627.00103.6-102.7103.153.3827.5099.5-99.099.253.2528.0093.5-92.793.103.0528.5083.5-83.183.302.7329.0069.0-68.668.802.2629.5052.4-51.852.101.7130.0036.2-35.435.801.17螺线管内轴线上磁感应强度分布曲线实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定实验完毕后，拆除接线前应先将螺线管工作电流调至零，再关闭电源，以防止电感电流突变引起高电压.实验完毕后，请逆时针旋转仪器上的三个调节旋钮，使其恢复到起始位置(最小的位置).注意事项仪器应预热10分钟后测量数据.