霍爾儀器測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度

1、實(shí)驗(yàn)3-22霍爾效應(yīng)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度 【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】德國(guó)物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，任何導(dǎo)體通以電流時(shí)，若存在垂直于電流方向的磁場(chǎng)，則導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與電流和磁場(chǎng)方向都垂直的電場(chǎng)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，它是一種磁電效應(yīng)(磁能轉(zhuǎn)換為電能)。二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，由于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，先后制成了多種有顯著霍爾效應(yīng)的材料，這一效應(yīng)的應(yīng)用研究也隨之發(fā)展起來(lái)?，F(xiàn)在，霍爾效應(yīng)已在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在測(cè)量技術(shù)中，典型的應(yīng)用是測(cè)量磁場(chǎng)，其特點(diǎn)是：響應(yīng)速度快，既能測(cè)穩(wěn)恒磁場(chǎng)，也可測(cè)交流磁場(chǎng)，亦能測(cè)量脈寬為ms的脈沖磁

2、場(chǎng)；能在很小的空間體積(零點(diǎn)幾立方毫米)和小氣隙中測(cè)磁場(chǎng)，現(xiàn)在霍爾元件可以做到10mm2的大?。粶y(cè)量范圍大，可以從10T的強(qiáng)磁到10-7T的弱磁；可以同時(shí)利用多個(gè)霍爾元件探頭，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量和數(shù)據(jù)處理；無(wú)接觸、壽命長(zhǎng)、成本低。測(cè)量磁場(chǎng)方法不少，但其中以霍爾效應(yīng)為機(jī)理的測(cè)磁方法因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)而有著廣泛的應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)就是采用這種方法。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)了解霍爾效應(yīng)的物理原理，掌握用磁電傳感器霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的基本方法，學(xué)習(xí)用異號(hào)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(jì)的結(jié)構(gòu)，掌握其使用方法。 【預(yù)習(xí)操作要點(diǎn)】1霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)方法霍爾效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)電荷在

3、磁場(chǎng)中受到洛侖磁力的作用后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，當(dāng)霍爾電場(chǎng)力與洛侖磁力平衡時(shí)，霍爾片中載流子不在遷移，這樣就在霍爾片的上下兩個(gè)平面間形成了恒定的電位差霍爾電位差UH，實(shí)驗(yàn)測(cè)定系數(shù)RH=1/ne稱為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)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(dāng)半導(dǎo)體(n比金屬的小得多)出現(xiàn)以后，霍爾效應(yīng)的應(yīng)用才得以發(fā)展。對(duì)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(duì)于一定的霍爾片，其為常數(shù)。這樣上式是霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)的基本理論依據(jù)，只要已知KH，用儀器測(cè)出I及UH，則可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。2霍爾電壓UH的測(cè)量在

4、對(duì)霍爾片上電壓UH進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)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(lái)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(jì)。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(duì)稱，導(dǎo)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(shí)際測(cè)得的電壓U可以認(rèn)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(shí)驗(yàn)中常采用異號(hào)測(cè)量法進(jìn)行，即改變通過(guò)霍爾片的工作電流I的方向，將兩次測(cè)量的電壓值代數(shù)平均，也就是時(shí)時(shí)可得3測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)如圖4-22-4所示，霍爾電壓螺線管磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x由霍爾元件P、

5、長(zhǎng)螺線管及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)組成?；魻栐已置于長(zhǎng)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(kāi)關(guān)K1和K2。通電螺線管提供了一個(gè)與霍爾元件垂直的均勻磁場(chǎng)，其激磁電流引線已接入換向開(kāi)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(cè)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(cè)量。由于霍爾電壓UH只有幾個(gè)毫伏，本實(shí)驗(yàn)用測(cè)量精度較高的UJ31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)測(cè)量，電位差計(jì)工作電源由雙路穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓端提供，電壓應(yīng)調(diào)節(jié)在5.76.4V之間；在其電流計(jì)端子上接入一復(fù)射式靈敏電流計(jì)。由于霍爾效應(yīng)應(yīng)用的發(fā)展，霍爾元件也

6、已制成產(chǎn)品，每個(gè)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(zhǎng)方形，長(zhǎng)的方向?yàn)楣ぷ麟娏鞫?，寬的方向?yàn)榛魻栯妷簻y(cè)試端。實(shí)驗(yàn)所用霍爾元件的KH值由實(shí)驗(yàn)室給出。4了解UJ31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)原理，掌握其使用方法UJ31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)的測(cè)量精度較高(0.05級(jí)),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(jì)主要由六部分組成:工作電流調(diào)節(jié)部分（RP1、RP2、RP3）；標(biāo)準(zhǔn)電池定標(biāo)補(bǔ)償部分（RNP）；測(cè)量回路部分（、）；量程變換開(kāi)關(guān)（K1¢）；測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（K2¢）

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

8、十幾個(gè)0.01W的電阻RS¢組成，置RNP等于標(biāo)準(zhǔn)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(jì)指零，則電位差計(jì)達(dá)到所需的工作電流（10mA），定標(biāo)工作完成。測(cè)量補(bǔ)償回路B這一回路用來(lái)測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)，可以同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同的電動(dòng)勢(shì)，便于往復(fù)地對(duì)兩組未知量進(jìn)行測(cè)量和比較。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2¢置于未知1（或未知2）位置，調(diào)節(jié)、三個(gè)旋鈕，使電流計(jì)指零，三個(gè)旋鈕的讀數(shù)和就是待測(cè)電動(dòng)勢(shì)的值。 工作主回路C此回路提供電位差計(jì)的工作電流，電阻RP用以調(diào)節(jié)回路的電流，當(dāng)工作電源電壓小于5.7伏或大于6.4伏時(shí)，無(wú)論如何調(diào)節(jié)RP均不能使電位差計(jì)的工作電流達(dá)到10mA。電鍵按鈕“粗”、“細(xì)”、“短路”都與靈敏電流計(jì)相連。“短路”按鈕按下時(shí)，靈敏電流計(jì)兩端短路，是完全過(guò)阻尼狀態(tài)，在電磁阻力的作用下，可以使擺動(dòng)的靈敏電流計(jì)光標(biāo)迅速回到零點(diǎn)?！按帧卑粹o按下時(shí)，給靈敏電流計(jì)串聯(lián)一個(gè)電阻，起保護(hù)作用?！凹?xì)”按鈕按下，保護(hù)電阻被短路，直接進(jìn)行細(xì)調(diào)。注意：不測(cè)量時(shí)應(yīng)將K2¢置于“斷”的位置，尤其不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間放在“標(biāo)準(zhǔn)”位置。  【實(shí)驗(yàn)儀器】UJ31型低電勢(shì)直流電位差計(jì)，復(fù)射式靈敏電流計(jì)，穩(wěn)流穩(wěn)壓雙路電源，滑線變阻器，直流輸出電源，標(biāo)準(zhǔn)電池，