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1、用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布 基于霍尔效应的霍尔元件基于霍尔效应的霍尔元件 可用于测量磁感应强度和可用于测量磁感应强度和 电流，在测量技术、自动电流，在测量技术、自动 控制、磁流体发电等科学控制、磁流体发电等科学 技术的许多领域中具有广技术的许多领域中具有广 泛应用泛应用. . 前言前言 uu实验任务实验任务 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：完成这一实验任务，必须做以下工作： 仪器调节仪器调节( (将仪器调节到标准工作状态将仪器调节到标准工作状态). ). 仪器
2、标定仪器标定( (确定霍尔电压与磁感应强度的关系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测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布. . 关键提示关键提示 本实验关键点如下：本实验关键点如下： 1.1.接线接线 2.2.调标准工作状态调标准工作状态 3.3.定标：固定位置、改变励磁电流定标：固定位置、改变励磁电流 4.4.测量：固定励磁电流、改变位置测量：固定励磁电流、改变位置 请按以上关键点阅读以下材料。请按以上关键点阅读以下材料。 实验原理实验原理 uu现象现象 霍尔效应霍尔效应 载流导体薄板处在方向垂直于电流的磁场中载流导体薄板处在方向垂直于电流的磁场
3、中 时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电势时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电势 差差 霍尔电压霍尔电压V VH H . . uu理论分析理论分析 磁场中运动载流子受洛伦兹力作用磁场中运动载流子受洛伦兹力作用 电荷聚集形成电场电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力电场力与洛伦兹力 达到平衡，形成稳达到平衡，形成稳 定电压定电压V VH H mAmA - - B B mVmV 又考虑到又考虑到( (n n为载流子浓度为载流子浓度 ) ) 实验原理实验原理 即：即： K K HH=1/( =1/(nedned) )称为霍尔元件的灵敏度称为霍尔元件的灵敏度. . I I S S 为流过霍尔元件的电流，即
4、其工作电流为流过霍尔元件的电流，即其工作电流. . 确定确定V VH H和 和I I S S 即可求得磁感应强度的量值即可求得磁感应强度的量值. . 实验装置实验装置 IUV500 IUV500 螺线管实验电源螺线管实验电源 包括集成包括集成霍耳传感器探测棒霍耳传感器探测棒、螺线管螺线管、直流稳压电源、直流稳、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. . 实验装置实验装置 本实验仪采用本实验仪采用SS95ASS95A型集成霍尔传感器，内部结构如图：型集成霍尔传感器，内部结构如图： uu在在零磁场零磁场条件下，条件下
5、， 调节调节V V+ +、V V- -所接的电所接的电 源电压源电压，使输出电压，使输出电压 为为2.500V2.500V时，传感器时，传感器 工作电流即为工作电流即为标准工标准工 作电流作电流. . V V为为为为霍霍尔尔传传传传感器感器输输输输出出电压电压电压电压 标准工作电流下磁场与霍尔元件标准工作电流下磁场与霍尔元件 输出电压的关系为：输出电压的关系为： uu测量时测量时霍尔传感器霍尔传感器 必须必须处于处于标准工作电标准工作电 流流下下. . V V+ +和和V V- -构成构成电电 流输入端流输入端 V Voutout和和V V- -构成构成 电压输出端电压输出端 V V 是用是用
6、2.500V2.500V外接外接电压电压电压电压 补偿补偿补偿补偿 后后 的的输输输输出出值值值值. . 实验内容：仪器调节实验内容：仪器调节 一一. . 需连接以下电路需连接以下电路: : 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连接给霍尔元件提供工作电流( (I I S S ) )的电路的电路. . 连接输出霍尔电压的电路连接输出霍尔电压的电路. . 连接外接补偿电压连接外接补偿电压(2.500V)(2.500V)的电路的电路. . 详见下页图示详见下页图示. . 实验内容：仪器调节实验内容：仪器调节 为螺线管提供励磁电为螺线管提供励磁
7、电 流流( (流过螺线管的电流流过螺线管的电流 ) )，产生磁场，产生磁场. . V V+ +和和V V- - : :给霍给霍 尔元件提供工尔元件提供工 作电流作电流 V Voutout和和V V- - : :输输 出霍尔电压出霍尔电压 外接外接2.500V2.500V 补偿电压补偿电压 uu 注意：注意：V V+ +、V V- -不能接反，否则将损坏元件不能接反，否则将损坏元件. . 调节外接调节外接2.500V2.500V 补偿电压补偿电压 调节霍尔元调节霍尔元 件工作电流件工作电流 双刀换向开关双刀换向开关K K 2 2 用于改变励磁电用于改变励磁电 流的方向流的方向. . 显示励磁电流
8、大小显示励磁电流大小 调节励调节励 磁电流磁电流 集成霍尔元件集成霍尔元件 霍尔元件位置读数霍尔元件位置读数 显示霍尔显示霍尔 元件输出元件输出 电压电压. . 量程量程 切换切换 实验内容：仪器调节实验内容：仪器调节 调节外接调节外接2.500V2.500V 补偿电压补偿电压 调节霍尔元调节霍尔元 件工作电流件工作电流 双刀换向开关双刀换向开关 K K2 2 用于改变励用于改变励 磁电流的方向磁电流的方向. . 显示励磁电流大小显示励磁电流大小 调节励调节励 磁电流磁电流 集成霍尔元件集成霍尔元件 霍尔元件位置读数霍尔元件位置读数 显示霍尔元显示霍尔元 件输出电压件输出电压. . 量程量程
9、切换切换 实验内容：仪器调节实验内容：仪器调节 二二. . 将霍尔元件的工作电流调节为标准工作电流将霍尔元件的工作电流调节为标准工作电流 将开关将开关K K 1 1 指向位置指向位置1 1，调节，调节4.8V5.24.8V5.2V V电源输出电压，使电源输出电压，使 数字电压表显示的数字电压表显示的“ “V Voutout” ” 和和“ “V V-”-”间的电压为间的电压为2.500V2.500V，此时，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，流为标准工作电流，且剩余电压恰好补偿，V V
10、0 0 =0V. =0V. 断开开关断开开关K K 2 2 ，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下. . K K2 2 仍断开，保持仍断开，保持V V + + 和和V V - - 电压电压电压电压 不不变变变变，把开关，把开关K K 1 1 指向指向2 2，调节调节调节调节 2.4V2.6V2.4V2.6V的的外接外接补偿电压补偿电压补偿电压补偿电压 ，使数字，使数字电压电压电压电压 表在表在mVmV档的示档的示 值值值值为为为为0 0，即用一个，即用一个外接外接2.500V2.500V电电电电位差位差对传对传对传对传 感器感器输输输输出的出的 2.500V2.5
11、00V电电电电位差位差进进进进行行补偿补偿补偿补偿 ，以便可直接，以便可直接读读读读出出VV . . 三三. . 对传对传对传对传 感器感器输输输输出的出的2.500V2.500V电电电电位差位差进进进进行行补偿补偿补偿补偿 实验内容：仪器调节实验内容：仪器调节 注意区分注意区分I IS S 与 与I IM M 螺螺线线线线管中央管中央处处处处磁感磁感应应应应强强度与励磁度与励磁电电电电流的关流的关 系系: : 霍霍尔尔元件的灵敏度元件的灵敏度 K=KK=KH H I I S S 为为为为: : 实验内容：灵敏度的测定实验内容：灵敏度的测定 n n 方法：霍尔元件位置方法：霍尔元件位置固定固定
12、( (置于螺线管的置于螺线管的中央中央) )，改变改变 励磁电流励磁电流 . . n n 目的：确定目的：确定霍尔电压霍尔电压与与磁感应强度磁感应强度的的关系关系 . . 霍霍尔尔电压电压电压电压 与磁感与磁感应应应应强强度的关系度的关系 : : 霍霍尔尔元件置于螺元件置于螺线线线线管中央，改管中央，改变变变变励磁励磁电电电电流流I IM M (0-500mA) (0-500mA) ，测测测测 量量 关系关系( (测测测测1010组组组组数据数据). ). 绘绘绘绘制制 关系关系曲曲线线线线，计计计计算算斜率斜率 . . 注意：两端的磁场变化快而中间变化慢，测量点在两注意：两端的磁场变化快而中
13、间变化慢，测量点在两 边应比中间取得密一些边应比中间取得密一些 用用测测测测得的得的轴线轴线轴线轴线 上各点的磁感上各点的磁感应应应应强强度，度，绘绘绘绘制螺制螺线线线线管管轴线轴线轴线轴线 上磁上磁场场场场的分布曲的分布曲线线线线. . 励磁电流为励磁电流为0 0 时，霍尔电压时，霍尔电压 总为总为0 0吗？吗？ I I MM=0 =0时时时时，由于地磁，由于地磁场场 场场的存在，的存在， V V HH不一定 不一定为为为为0 0，怎，怎样样样样消除地磁消除地磁 场场场场的影响？的影响？ uu每个点每个点 I I MM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均 正、反向各测一次，取二者绝对值的平均
14、 值作为该点的数据，即可值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响消除地磁场的影响. . 实验内容：螺线管轴线磁场分布的测量实验内容：螺线管轴线磁场分布的测量 n n 方法：保持励磁电流不变方法：保持励磁电流不变(250mA)(250mA)，改变霍尔元件位置改变霍尔元件位置 (030.0cm) (030.0cm) ，测量螺线管轴线上各点的霍尔电压，并利，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. . 实验数据例实验数据例灵敏度的测定灵敏度的测定 I I mm/mA /mA0501001502002503003504004
15、50500 U U/mV/mV022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0 表表1 1 测量霍尔电压 测量霍尔电压( (已放大已放大) )与励磁电流与励磁电流I IM M的关系 的关系 ( (霍尔传感器处于螺线管中央位置，即霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cmX=17.0cm处处) ) 霍尔电压与励霍尔电压与励 磁电流的关系磁电流的关系 曲线：曲线： 实验数据例实验数据例螺线管内轴线磁场分布的测定螺线管内轴线磁场分布的测定 ( (表表2 2：螺：螺线线线线管内磁感管内磁感应应应应强强度度B B与位置与位置X X的关系的关系) ) X/cmU1/mVU2/mVU/mVB/mT 1.00 9.0-8.88.900.29 1.50 12.5-12.412.450.41 2.00 17.8-17.817.800.58 2.50 25.7-25.625.650.84 3.00 38.4-38.338.351.26 3.50 54.6-54.554.551.79 4.00 71.1-70.971.002.33 4.50 84.5-84.484.452.77 5.00 93.6-93.493.503.07 5.50 98.9-98.698.753.24 6.00 102.5-102.2102
