用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布

1. 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.

2. 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.

3. 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。

4. mV B - mA 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VH

5. 实验原理 又考虑到(n为载流子浓度) 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.

6. 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.

7. Vout和V-构成电压输出端 V+和V-构成电流输入端 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： • 测量时霍尔传感器必须处于标准工作电流下. • 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. • 标准工作电流下磁场与霍尔元件输出电压的关系为： • V为霍尔传感器输出电压 • V’是用2.500V外接电压补偿后的输出值.

8. 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.

9. 为螺线管提供励磁电流(流过螺线管的电流)，产生磁场.为螺线管提供励磁电流(流过螺线管的电流)，产生磁场. 实验内容：仪器调节 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.

10. 实验内容：仪器调节 调节外接2.500V补偿电压 调节霍尔元件工作电流 显示励磁电流大小 量程切换 调节励磁电流 显示霍尔元件输出电压. 双刀换向开关K2用于改变励磁电流的方向. 霍尔元件位置读数 集成霍尔元件

11. 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 • 断开开关K2，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下. • 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. 三. 对传感器输出的2.500V电位差进行补偿 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’.

12. 绘制V’-IM关系曲线，计算斜率 . 实验内容：灵敏度的测定 • 目的：确定霍尔电压与磁感应强度的关系. • 方法：霍尔元件位置固定(置于螺线管的中央)，改变励磁电流. • 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IM • 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: • 霍尔电压与磁感应强度的关系:

13. 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) ，测量螺线管轴线上各点的霍尔电压，并利用上面已测定的灵敏度计算各点的磁感应强度. • 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.

14. 实验数据例——灵敏度的测定 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) 霍尔电压与励磁电流的关系曲线：

15. 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)

16. 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 (续表2)

17. 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 (续表2)

18. 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 螺线管内轴线上磁感应强度分布曲线

19. 注意事项 • 仪器应预热10分钟后测量数据. • 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).