霍爾儀器測磁感應強度

1、實驗3-22霍爾效應測磁感應強度 【實驗簡介】德國物理學家霍爾（E.H.Hall）1879年研究載流導體在磁場中受力的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，任何導體通以電流時，若存在垂直于電流方向的磁場，則導體內(nèi)部產(chǎn)生與電流和磁場方向都垂直的電場，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，它是一種磁電效應(磁能轉(zhuǎn)換為電能)。二十世紀五十年代以來，由于半導體工藝的發(fā)展，先后制成了多種有顯著霍爾效應的材料，這一效應的應用研究也隨之發(fā)展起來?，F(xiàn)在，霍爾效應已在測量技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在測量技術(shù)中，典型的應用是測量磁場，其特點是：響應速度快，既能測穩(wěn)恒磁場，也可測交流磁場，亦能測量脈寬為ms的脈沖磁

2、場；能在很小的空間體積(零點幾立方毫米)和小氣隙中測磁場，現(xiàn)在霍爾元件可以做到10mm2的大??；測量范圍大，可以從10T的強磁到10-7T的弱磁；可以同時利用多個霍爾元件探頭，以便實現(xiàn)自動化測量和數(shù)據(jù)處理；無接觸、壽命長、成本低。測量磁場方法不少，但其中以霍爾效應為機理的測磁方法因結(jié)構(gòu)簡單、體積小、測量速度快等優(yōu)點而有著廣泛的應用，本實驗就是采用這種方法。通過本實驗了解霍爾效應的物理原理，掌握用磁電傳感器霍爾元件測量磁場的基本方法，學習用異號法消除不等位電壓產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。了解UJ31型電位差計的結(jié)構(gòu)，掌握其使用方法。 【預習操作要點】1霍爾效應測量磁場方法霍爾效應實質(zhì)上是運動電荷在

3、磁場中受到洛侖磁力的作用后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，當霍爾電場力與洛侖磁力平衡時，霍爾片中載流子不在遷移，這樣就在霍爾片的上下兩個平面間形成了恒定的電位差霍爾電位差UH，實驗測定系數(shù)RH=1/ne稱為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù)，載流子濃度n越小,則RH越大，UH也越大，所以只有當半導體(n比金屬的小得多)出現(xiàn)以后，霍爾效應的應用才得以發(fā)展。對于特定的霍爾元件，其厚度d確定，定義霍爾靈敏度KH=RH /d，KH與霍爾片的材料性質(zhì)、幾何尺寸有關(guān)，對于一定的霍爾片，其為常數(shù)。這樣上式是霍爾效應測磁場的基本理論依據(jù)，只要已知KH，用儀器測出I及UH，則可求出磁感應強度B。2霍爾電壓UH的測量在

4、對霍爾片上電壓UH進行測量時，測量所得到的電壓值包含了電熱和溫差電現(xiàn)象等因素帶來的附加電壓，這些附加電壓中以不等位電壓U0的影響最大，而其它影響在常溫下較小，可忽略不計。所謂不等位電壓，是指由于霍爾片本身不均勻、電極位置的不對稱，導致電流引出端的電位不等。顯然，不等位電壓U0只與霍爾片的工作電流I有關(guān)，且隨電流I的換向而換向，所以實際測得的電壓U可以認為是霍爾電壓UH與不等位電壓U0的代數(shù)和。為了消除不等位電壓，實驗中常采用異號測量法進行，即改變通過霍爾片的工作電流I的方向，將兩次測量的電壓值代數(shù)平均，也就是時時可得3測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)如圖4-22-4所示，霍爾電壓螺線管磁場測量儀由霍爾元件P、

5、長螺線管及相應的開關(guān)組成?；魻栐已置于長螺線管的中心軸線上，其平面與螺線管軸線垂直，工作電流和霍爾電壓引線已分別接入各自的換向開關(guān)K1和K2。通電螺線管提供了一個與霍爾元件垂直的均勻磁場，其激磁電流引線已接入換向開關(guān)K3。 霍爾元件的工作電流由甲電池經(jīng)滑線變阻器分壓后提供，其大小由毫安表測量。激磁電流由雙路穩(wěn)壓電源的穩(wěn)流端提供，其大小由安培表測量。由于霍爾電壓UH只有幾個毫伏，本實驗用測量精度較高的UJ31型低電勢直流電位差計測量，電位差計工作電源由雙路穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓端提供，電壓應調(diào)節(jié)在5.76.4V之間；在其電流計端子上接入一復射式靈敏電流計。由于霍爾效應應用的發(fā)展，霍爾元件也

6、已制成產(chǎn)品，每個霍爾元件均注明有材料類型、KH（mV/mA·T）值、最大工作電流、電阻、幾何尺寸等參數(shù)。一般霍爾元件是長方形，長的方向為工作電流端，寬的方向為霍爾電壓測試端。實驗所用霍爾元件的KH值由實驗室給出。4了解UJ31型低電勢直流電位差計原理，掌握其使用方法UJ31型低電勢直流電位差計的測量精度較高(0.05級),其結(jié)構(gòu)和原理如圖4-22-5所示。（1）構(gòu)成部分 從面板圖可以看出,電位差計主要由六部分組成:工作電流調(diào)節(jié)部分（RP1、RP2、RP3）；標準電池定標補償部分（RNP）；測量回路部分（、）；量程變換開關(guān)（K1¢）；測量轉(zhuǎn)換開關(guān)（K2¢）

7、；電鍵按鈕（粗、細、短路）及接線端鈕。（2）測量范圍測量范圍分為兩檔，當K1¢置于×1檔時，測量范圍為017.1毫伏，最小分度是0.1微伏（游標讀數(shù)）；當K1¢置于×10檔時，測量范圍為0171毫伏，最小分度是1微伏（游標讀數(shù)）。（3）工作原理為了測量很小的電位差，并便于定標和測量，定標補償回路和測量補償回路分開，從圖4-22-5的原理圖可以看出，其結(jié)構(gòu)由三個回路構(gòu)成。 定標補償回路A這一回路用來確定電位差計的工作電流。把轉(zhuǎn)換開關(guān)K2¢置在標準位置，則回路A接通，其中標準電阻RNP由一個阻值為101.75W（各電位差計有所差別）的固定電阻RS和

8、十幾個0.01W的電阻RS¢組成，置RNP等于標準電池ES的值（若ES=1.0186V，則RS+ RS¢=101.86W），調(diào)節(jié)電阻RP，使靈敏電流計指零，則電位差計達到所需的工作電流（10mA），定標工作完成。測量補償回路B這一回路用來測量未知電動勢，可以同時測量兩個不同的電動勢，便于往復地對兩組未知量進行測量和比較。轉(zhuǎn)換開關(guān)K2¢置于未知1（或未知2）位置，調(diào)節(jié)、三個旋鈕，使電流計指零，三個旋鈕的讀數(shù)和就是待測電動勢的值。 工作主回路C此回路提供電位差計的工作電流，電阻RP用以調(diào)節(jié)回路的電流，當工作電源電壓小于5.7伏或大于6.4伏時，無論如何調(diào)節(jié)RP均不能使電位差計的工作電流達到10mA。電鍵按鈕“粗”、“細”、“短路”都與靈敏電流計相連?！岸搪贰卑粹o按下時，靈敏電流計兩端短路，是完全過阻尼狀態(tài)，在電磁阻力的作用下，可以使擺動的靈敏電流計光標迅速回到零點?！按帧卑粹o按下時，給靈敏電流計串聯(lián)一個電阻，起保護作用?！凹殹卑粹o按下，保護電阻被短路，直接進行細調(diào)。注意：不測量時應將K2¢置于“斷”的位置，尤其不應長時間放在“標準”位置。  【實驗儀器】UJ31型低電勢直流電位差計，復射式靈敏電流計，穩(wěn)流穩(wěn)壓雙路電源，滑線變阻器，直流輸出電源，標準電池，