DH4501N型 亥姆霍兹线圈磁场实验仪

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1、 霍尔效应和霍尔法测量磁场霍尔效应和霍尔法测量磁场DH4501N 型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪 实 验 讲 义 杭 州 大 华 科 教 仪 器 研 究 所 杭州大华仪器制造有限公司 1 DH4501N 型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪使用说明 仪器可用于霍尔效应实验，并且研究亥姆霍兹线圈的磁场分布规律。 仪器由信号源和测试架两大部分组成。 一、DH4501N 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪信号源 仪器背部为 220V 交流电源插座和开关， 以及配 DH4501N 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架的专用插座。 仪器面板为三大部分，见下图(1) 。 图(1) 实验仪面板图 1、励磁电流 IM输出：前面板右

2、侧，三位半数显电流表，显示输出电流值IM（A） ，直流恒流输出可调，接到测试架的励磁线圈，提供实验用的励磁电流。 2、霍尔片工作电流 IS输出：前面板左侧，三位半数显电流表，显示输出电流值 IS（mA） ，直流恒流输出可调，用于提供霍尔片的工作电流。 以上两组直流恒源只能在规定的负载范围内恒流，与之配套的“测试架”上的负载符合要求。若要作它用时需注意。 提醒：提醒：只有在接通负载时，恒流源才有电流输出，数显表上才有相应显示。 3、VH、V测量输入：前面板中部，三位半数显表显示输入值（mV） ，用于测量霍尔片的霍尔电压 VH及霍尔片长度 L 方向的电压降 V。 使用前将两输入端接线柱短路，用调零

3、旋钮调零。 2 提醒：提醒：IS霍尔片工作电流输出端与 VH、V测量输入端，连接测试架时，与测试架上对应的接线端子一一对应连接（红接线柱与红接线柱相连，黑接线柱与黑接线柱相连） 。励磁电流 IM输出端连接到测试架线圈时，可以选择接单个线圈与双个线圈。接双个线圈时，将两线圈串联，即一个线圈的黑接线柱与另一线圈的红接线柱相连。另外两端子接至实验仪的 IM端。 4、二个换向开关 分别对励磁电流 IM，工作电流 IS进行正反向换向控制。 5、一个转换开关 对霍尔片的霍尔电压VH与霍尔片长度L方向的电压降V测量进行转换控制。 二、DH4501N 三维亥姆霍兹线圈磁场测试架 本测试架的特点是三维可靠调节，

4、见图（2） 。 1、亥姆霍兹线圈 两个圆线圈（1） 、 （2）安装于底板（3）上，其中圆线圈（1）固定，圆线圈（2）可以沿底板移动，移动范围为 50200mm； 松开圆线圈 （2） 底座上的紧固螺钉， 就可以用双手均匀地移动圆线圈 （2） ，从而改变了两个圆线圈的位置，移到所需的位置后，再拧紧紧固螺钉。 励磁电流通过圆线圈后面的插孔接入， 可以做单个和双个线圈的磁场分布。 3 图（2） 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架 2、三维可移动装置 滑块（10）可以沿导轨（5）左右移动，用于改变霍尔元件 X 方向的位置。移动时，用力要轻，速度不可过快，如果滑块移动时阻力太大或松动，则应适当调节滑块上的螺

5、钉（9）的紧度；左右移动不可沿前后方向即 Y 向用力，以免改变 Y 向位置；必要时，可以锁紧导轨（5）右端的紧定螺钉（13） ，防止改变 Y 向位置。 轻推滑块（10）沿导轨（6）均匀移动导轨（5） ，可改变霍尔元件 Y 方向的位置；这时，导轨（5）右端的紧定螺钉（13）应处于松开状态。注意：这时不可左右方向用力，以免改变霍尔元件的 X 向位置。 松开紧固螺钉（12） ，铜杆（8）可以沿导轨（7）上下移动，移到所需的位置后，再拧紧紧固螺钉（12） ，用于改变霍尔元件 Z 方向的位置。 装置的向均配有位置标尺，在三维测量磁场时，可以方便地测量空间磁场的三维坐标。 、霍尔元件 装置采用优质砷化镓霍

6、尔元件，特点是灵敏度高，温度漂移小，既可以做霍尔效应实验，又可作磁场分布实验。 霍尔元件（4）安装于铜管（8）的左前端，导线从铜管中引出，连接到测试架后面板上的专用插座。 改变圆线圈（2）的位置进行磁场分布实验时，为了读数方便，应该改变铜管（8）的位置。松开紧固螺钉（11） ，移动铜管至 R、2R 或 R/2 的位置，对应于圆线圈（2）在 R、2R 或 R/2 的位置，这样做的优点是移动滑块（10）时，向的读数是以位置为对称的。如果不改变铜管（）的位置，则应对向位置读数进行修正。 三、主要技术参数 1、 励磁电流 IM输出范围：直流 00.500A，3 位半数字表测量， 调节细度：1mA，负载

7、电阻范围：040。 2、霍尔片工作电流 IS输出范围：直流 05.00mA，3 位半数字表测量，调4 节细度：10A，负载电阻范围：01K。 3、VH、V测量输入范围 VH：直流 019.99mV，3 位半数字表测量，分辨力 10V。 V：直流 01999mV，3 位半数字表测量，分辨力 1mV。 4、亥姆霍兹线圈 线圈等效半径：100mm，二线圈中心间距：50200mm 连续可调； 线圈匝数：500 匝（单个） ，线圈电阻：约 14。 5、霍尔元件 砷化镓霍尔元件，四端引出，灵敏度140mV/(mA T) 霍尔片的厚度的 d 为 0.2mm，宽度l为 1.5mm，长度 L 为 1.5mm。

8、6、三维可移动装置 X 向移动距离 200mm，Y 向移动距离 70mm，Z 向移动距离 70mm。 四、其他技术参数 1、使用环境条件：环境温度: 0+40，环境湿度: 不大于 80%(RH) 2、电源:220V 士 10%，50Hz 交流供电，耗电小于 60W 3、整机质量（重量）: 约 15Kg 五、注意事项及售后服务注意事项及售后服务 1、仪器使用前应预热 1015 分钟，并避免周围有强磁场源或磁性物质。 2、仪器采用分体式设计，使用时要正确接线，注意不要扯拉霍尔传感器的引出线！以防损坏。 3、仪器采用三维移动设计，可移动的部件很多，一定要细心合理使用，不可用力过大，以防影响使用寿命；

9、铜管的机械强度有限！切不可受外力冲击，以防变形，影响使用。 4、使用完毕后应关闭电源。仪器的使用和存放应注意清洁干净；避免腐蚀和阳光暴晒或强磁场环境下工作和存放。 5、仪器从发货之日起壹年内，由于仪器设计、制造过程中产生的质量问题或者引起的故障，本公司负责免费维修。超过保修期，本公司仍提供良好的售后服务。 5 实验一实验一 霍尔效应实验霍尔效应实验 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象， 故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属 的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着

10、半导体材料和制造工艺的发展，人 们又利用半导体材料制成霍尔元件， 由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展， 现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔 效应实验不断有新发现。1980 年原西德物理学家冯克利青研究二维电子气系 统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域 最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应 用， 例如用于确定电阻的自然基准， 可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、 磁路等磁现象的研究和应用中， 霍尔效应及其元件是不可缺少

11、的， 利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 实验目的实验目的 1、霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2、测绘霍尔元件的 VHIs，VHIM曲线，了解霍尔电势差 VH与霍尔元件 工作电流 Is，磁场应强度 B 及励磁电流和 IM之间的关系。 3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度 B 及磁场分布。 4、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 实验仪器实验仪器 DH4501N 型 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪 一套 实验原理实验原理 霍尔效应从本质上讲，是运动的带 电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引 起的偏转。当带电粒子（电子或空穴） 被约束在固体材料中，这种偏转就导致

12、 在垂直电流和磁场的方向上产生正负电 荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横 向电场。如右图 1-1 所示，磁场 B 位于 6 Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X 正向通以电流 Is（称为工作电流） ，假 设载流子为电子（N 型半导体材料） ，它沿着与电流 Is 相反的 X 负向运动。 由于洛仑兹力 f L作用， 电子即向图中虚线箭头所指的位于 y 轴负方向的 B 侧偏转，并使 B 侧形成电子积累，而相对的 A 侧形成正电荷积累。与此同时运 动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力 f E的作用。随着 电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时， f L=f E，则

13、电 子积累便达到动态平衡。 这时在 A、 B 两端面之间建立的电场称为霍尔电场 EH， 相应的电势差称为霍尔电势 VH 。 设电子按均一速度V，向图 1-1 所示的 X 负方向运动，在磁场 B 作用下，所受洛仑兹力为： f L=eVB 式中：e 为电子电量，V为电子漂移平均速度，B 为磁感应强度。 同时，电场作用于电子的力为： f EHHeVeEl 式中：EH为霍尔电场强度，VH为霍尔电势，l 为霍尔元件宽度。 当达到动态平衡时: f L=f E VB=VH/l （1-1） 设霍尔元件宽度为l,厚度为 d， 载流子浓度为 n， 则霍尔元件的工作电流为: （1-2） 由(1-1)、(1-2)两式

14、可得： dIsBRdIsB nelEVHHH1（1-3） 即霍尔电压 VH (A、B 间电压)与 Is、B 的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数 称为霍尔系数（严格来说，对于半导体材料，在弱磁场下应引入一个修正因子 ，从而有 ） ，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导率ne的关系，还可以得到： 或 （1-4） 式中：为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一般电子 迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用 N 型半导体材料。 当霍尔元件的材料和厚度确定时，设： nedldRKHH/ （1-5） 将式（1-5）代入式（1-3）中得： neRH183AneR

15、H1 83pRH/HR图 1-1 ldVneIs 7 IsBKVHH （1-6） 式中：HK称为元件的灵敏度， 它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控 制电流下的霍尔电势大小，其单位是 mV/mAT，一般要求HK愈大愈好。由 于金属的电子浓度 n很高，所以它的 RH或 KH都不大，因此不适宜作霍尔元 件。此外元件厚度 d 愈薄，KH愈高，所以制作时，往往采用减少 d 的办法来增 加灵敏度， 但不能认为 d 愈薄愈好， 因为此时元件的输入和输出电阻将会增加， 这对霍尔元件是不希望的。 本实验采用的霍尔片的厚度的 d 为 0.2mm， 宽度l为 1.5mm，长度 L 为 1.5mm。 应当注意：当磁感应强度 B 和元件平面法线成一角度时（如图 1-2） ，作用 在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量cosB，此时： cosIsBKVHH （1-7） 所以一般在使用时应调整元件两平面方位，使 VH达到最大，即：0， cosIsBKVHHIsBKH 由式（1-7）可知，当工作电流 Is 或磁感应强度 B，两者之一改变方向时， 霍尔电势 VH方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔