螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)(馬宋設(shè)老師)

用霍爾效應(yīng)測(cè)螺線管軸向磁場(chǎng)分布馬宋設(shè)老師基于霍爾效應(yīng)的霍爾元件可用于測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流，在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制、磁流體發(fā)電等科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用.前言實(shí)驗(yàn)任務(wù)——利用霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布.完成這一實(shí)驗(yàn)任務(wù)，必須做以下工作：儀器調(diào)節(jié)(將儀器調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)).儀器標(biāo)定(確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系).測(cè)量通電螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布.關(guān)鍵提示本實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)如下：1.接線2.調(diào)標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)3.定標(biāo)：固定位置、改變勵(lì)磁電流4.測(cè)量：固定勵(lì)磁電流、改變位置請(qǐng)按以上關(guān)鍵點(diǎn)閱讀以下材料。實(shí)驗(yàn)原理現(xiàn)象——霍爾效應(yīng)載流導(dǎo)體薄板處在方向垂直于電流的磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生電勢(shì)差——

霍爾電壓VH.理論分析磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)載流子受洛倫茲力作用電荷聚集形成電場(chǎng)電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定電壓VHmA-BmV又考慮到(n為載流子濃度)實(shí)驗(yàn)原理即：KH=1/(ned)稱為霍爾元件的靈敏度.IS為流過(guò)霍爾元件的電流，即其工作電流.——確定VH和IS即可求得磁感應(yīng)強(qiáng)度的量值.實(shí)驗(yàn)裝置IUV500螺線管實(shí)驗(yàn)電源包括集成霍耳傳感器探測(cè)棒、螺線管、直流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、雙刀和單刀換向開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線若干.實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)儀采用SS95A型集成霍爾傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：在零磁場(chǎng)條件下，調(diào)節(jié)V+、V-所接的電源電壓，使輸出電壓為2.500V時(shí)，傳感器工作電流即為標(biāo)準(zhǔn)工作電流.V為霍爾傳感器輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)工作電流下磁場(chǎng)與霍爾元件輸出電壓的關(guān)系為：測(cè)量時(shí)霍爾傳感器必須處于標(biāo)準(zhǔn)工作電流下.V+和V-構(gòu)成電流輸入端Vout和V-構(gòu)成電壓輸出端V’是用2.500V外接電壓補(bǔ)償后的輸出值.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)一.需連接以下電路:連接給螺線管提供勵(lì)磁電流的電路.連接給霍爾元件提供工作電流(IS)的電路.連接輸出霍爾電壓的電路.連接外接補(bǔ)償電壓(2.500V)的電路.

詳見(jiàn)下頁(yè)圖示.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)為螺線管提供勵(lì)磁電流(流過(guò)螺線管的電流)，產(chǎn)生磁場(chǎng).V+和V-

:給霍爾元件提供工作電流Vout和V-

:輸出霍爾電壓外接2.500V補(bǔ)償電壓注意：V+、V-不能接反，否則將損壞元件.調(diào)節(jié)外接2.500V補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流雙刀換向開(kāi)關(guān)K2用于改變勵(lì)磁電流的方向.顯示勵(lì)磁電流大小調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾元件輸出電壓.量程切換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)外接2.500V補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流雙刀換向開(kāi)關(guān)K2用于改變勵(lì)磁電流的方向.顯示勵(lì)磁電流大小調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾元件輸出電壓.量程切換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)二.將霍爾元件的工作電流調(diào)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)工作電流將開(kāi)關(guān)K1指向位置1，調(diào)節(jié)4.8V—5.2V電源輸出電壓，使數(shù)字電壓表顯示的“Vout”和“V-”間的電壓為2.500V，此時(shí)集成霍爾元件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化工作狀態(tài)，即流過(guò)霍爾元件的電流為標(biāo)準(zhǔn)工作電流，且剩余電壓恰好補(bǔ)償，V0=0V.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2，使集成霍耳傳感器處于零磁場(chǎng)條件下.K2仍斷開(kāi)，保持V+和V-電壓不變，把開(kāi)關(guān)K1指向2，調(diào)節(jié)2.4V—2.6V的外接補(bǔ)償電壓，使數(shù)字電壓表在mV檔的示值為0，即用一個(gè)外接2.500V電位差對(duì)傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)行補(bǔ)償，以便可直接讀出V’

.三.對(duì)傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)行補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)注意區(qū)分IS與IM螺線管中央處磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流的關(guān)系:霍爾元件的靈敏度K=KHIS為:實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：靈敏度的測(cè)定方法：霍爾元件位置固定(置于螺線管的中央)，改變勵(lì)磁電流.

目的：確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系.霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系:霍爾元件置于螺線管中央，改變勵(lì)磁電流IM(0-500mA)

，測(cè)量

關(guān)系(測(cè)10組數(shù)據(jù)).繪制

關(guān)系曲線，計(jì)算斜率

.注意：兩端的磁場(chǎng)變化快而中間變化慢，測(cè)量點(diǎn)在兩邊應(yīng)比中間取得密一些用測(cè)得的軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制螺線管軸線上磁場(chǎng)的分布曲線.勵(lì)磁電流為0時(shí)，霍爾電壓總為0嗎？IM=0時(shí)，由于地磁場(chǎng)的存在，VH不一定為0，怎樣消除地磁場(chǎng)的影響？每個(gè)點(diǎn)IM正、反向各測(cè)一次，取二者絕對(duì)值的平均值作為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場(chǎng)的影響.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：螺線管軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)量方法：保持勵(lì)磁電流不變(250mA)，改變霍爾元件位置(0~30.0cm)，測(cè)量螺線管軸線上各點(diǎn)的霍爾電壓，并利用上面已測(cè)定的靈敏度計(jì)算各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例——靈敏度的測(cè)定Im/mA050100150200250300350400450500U/mV022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0表1測(cè)量霍爾電壓(已放大)與勵(lì)磁電流IM的關(guān)系

(霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即X=17.0cm處)霍爾電壓與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)定(表2：螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與位置X的關(guān)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實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)定(續(xù)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實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場(chǎng)分布的測(cè)定(續(xù)表2)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT23.00109.9-109.2109.553.5924.00109.7-108.9109.303.5824.50109.5-108.6109.053.5825.00109.1-108.2108.653.5625.50108.5-107.6108.053.5426.00107.6-106.6107.103.5126.50106.1-105.1105.603.4627.00103.6-102.7103.153.3827.5099.5-99.099.253.2528.0093.5-92.793.103.0528.5083.5-83.183.302.7329.0069.0-68.668.802.2629.50