太原理工大学大物实验-霍尔效应

霍 尔 效 应 及 磁 场 的 测 量太 原 理 工 大 学 理 学 院 物 理 与 光 电 工 程 系物 理 实 验 中 心 Edwin Hall（ 1855 1938） 霍 尔 效 应 是 霍 尔 (Hall)24岁 时 在 美 国 霍 普 金 斯 大 学 研 究 生 期间 ， 研 究 关 于 载 流 导 体 在 磁 场 中 的受 力 性 质 时 发 现 的 一 种 现 象 。 在 长 方 形 导 体 薄 板 上 通 以电 流 ， 沿 电 流 的 垂 直 方 向 施 加 磁 场 ，就 会 在 与 电 流 和 磁 场 两 者 垂 直 的 方向 上 产 生 电 势 差 ， 这 种 现 象 称 为 霍尔 效 应 ， 所 产 生 的 电 势 差 称 为 霍 尔电 压 。 背景介绍霍 尔 效 应 量 子 霍 尔 效 应 按 经 典 霍 尔 效 应 理 论 ， 霍 尔 电 阻RH=B/nqd ,B连 续 变 化 并 随 着 n（ 载 流子 浓 度 ） 增 大 而 减 小 。 但 是 ， 在 霍 尔 效应 发 现 100年 后 ， 1980年 ,德 国 物 理 学 家克 利 青 (Klaus von Klitzing)在 研 究 极低 温 和 强 磁 场 中 的 半 导 体 时 ， 发 现 在 低温 条 件 下 半 导 体 硅 的 霍 尔 效 应 不 是 常 规的 那 种 直 线 ， 而 是 RH随 着 磁 场 强 度 B呈跳 跃 性 的 变 化 ， 这 种 跳 跃 的 阶 梯 大 小 由被 整 数 除 的 基 本 物 理 常 数 所 决 定 。这 是 当 代 凝 聚 态 物 理 学 令 人 惊 异 的 进 展之 一 ， 这 在 后 来 被 称 为 整 数 量 子 霍 尔 效应 。 由 于 这 个 发 现 ， 克 利 青 在 1985年 获 得 了 诺 贝 尔 物 理 奖 。背景介绍 分 数 量 子 霍 尔 效 应背景介绍崔 琦 Robert LaughlinHorst Stormer 构 造 出 了 分 数 量 子 霍 尔 系 统 的 解析 波 函 数 ， 给 分 数 量 子 霍 尔 效 应 作 出 了 理 论 解 释1998年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖在 量 子 霍 尔 效 应 家 族 里 ， 至 此 仍 未 被 发 现 的 效 应 是 “ 量 子 反 常 霍 尔 效应 ” 不 需 要 外 加 磁 场 的 量 子 霍 尔 效 应 。 用 高 纯 度 半 导 体 材 料 ， 在超 低 温 环 境 ， 超 强 磁 场 条 件 下 研究 量 子 霍 尔 效 应 时 发 现 了 也呈 现 出 平 台 现 象 ， 但 极 为 不 同 是， 这 些 平 台 对 应 的 不 是 原 来 量 子霍 尔 效 应 的 整 数 倍 ， 而 是 分 数 值， 被 称 为 分 数 量 子 霍 尔 效 应 ， 这个 发 现 使 人 们 对 量 子 现 象 的 认 识更 进 一 步 。 如 今 由 清 华 大 学 薛 其 坤 院 士 领 衔 ， 清 华 大 学 、 中 科 院物 理 所 和 斯 坦 福 大 学 研 究 人 员 联 合 组 成 的 团 队 历 时 4年 在量 子 反 常 霍 尔 效 应 研 究 中 取 得 重 大 突 破 ， 在 美 国 物 理 学 家霍 尔 1880年 发 现 反 常 霍 尔 效 应 133年 后 ， 他 们 从 实 验 中首 次 观 测 到 量 子 反 常 霍 尔 效 应 ， 这 是 中 国 科 学 家 从 实 验 中独 立 观 测 到 的 一 个 重 要 物 理 现 象 ， 也 是 物 理 学 领 域 基 础 研究 的 一 项 重 要 科 学 发 现 。 这 一 发 现 是 相 关 领 域 的 重 大 突 破， 也 是 世 界 基 础 研 究 领 域 的 一 项 重 要 科 学 发 现 。 这 一 发 现或 将 对 信 息 技 术 进 步 产 生 重 大 影 响 。背景介绍量 子 反 常 霍 尔 效 应 霍 尔 效 应 应 被 发 现 100多 年 以 来 ,它 的 应 用 发 展 经 历 了 三 个 阶 段 ： 第 一 阶 段 ： 从 霍 尔 效 应 的 发 现 到 20世 纪 40年 代 前 期 。 最 初 由 于 金 属 材 料 中的 电 子 浓 度 很 大 而 霍 尔 效 应 十 分 微 弱 所 以 没 有 引 起 人 们 的 重 视 。 这 段 时 期 也有 人 利 用 霍 尔 效 应 霍 尔 效 制 成 磁 场 传 感 器 ， 但 实 用 价 值 不 大 ,到 了 1910年 有人 用 金 属 铋 制 成 霍 尔 元 件 ， 作 为 磁 场 传 感 器 。 但 是 ， 由 于 当 时 未 找 到 更 合 适的 材 料 ， 研 究 处 于 停 顿 状 态 。 第 二 阶 段 ： 从 20世 纪 40年 代 中 期 半 导 体 技 术 出 现 之 后 ， 随 着 半 导 体 材 料 、制 造 工 艺 和 技 术 的 应 用 ， 出 现 了 各 种 半 导 体 霍 尔 元 件 ， 特 别 是 锗 的 采 用 推 动了 霍 尔 元 件 的 发 展 ， 相 继 出 现 了 采 用 分 立 霍 尔 元 件 制 造 的 各 种 磁 场 传 感 器 。 第 三 阶 段 ； 自 20世 纪 60年 代 开 始 ， ,随 着 集 成 电 路 技 术 的 发 展 ， 出 现 了 将 霍尔 半 导 体 元 件 和 相 关 的 信 号 调 节 电 路 集 成 在 一 起 的 霍 尔 传 感 器 。 进 入 20世 纪80年 代 ， 随 着 大 规 模 超 大 规 模 集 成 电 路 和 微 机 械 加 工 技 术 的 进 展 ， 霍 尔 元 件从 平 面 向 三 维 方 向 发 展 ， 出 现 了 三 端 口 或 四 端 口 固 态 霍 尔 传 感 器 ， 实 现 了 产 品 的 系 列 化 、 加 工 的 批 量 化 、 体 积 的 微 型 化 。 霍 尔 集 成 电 路 出 现 以 后 ， 很 快广 泛 应 用 于 电 磁 测 量 ， 非 电 量 测 量 ， 自 动 控 制 ， 计 算 与 通 讯 装 置 。 背景介绍霍 尔 效 应 -应 用 发 展 1、 测 量 载 流 子 浓 度 根 据 霍 尔 电 压 产 生 的 公 式 ， 以 及 在 外 加 磁 场 中 测 量 的 霍 尔 电 压 可以 判 断 传 导 载 流 子 的 极 性 与 浓 度 ， 这 种 方 式 被 广 泛 的 利 用 于 半 导 体 中掺 杂 载 体 的 性 质 与 浓 度 的 测 量 上 。2、 霍 尔 效 应 测 量 磁 场 在 工 业 、 国 防 和 科 学 研 究 中 ， 例 如 在 粒 子 回 旋 器 、 受 控 热 核 反应 、 同 位 素 分 离 、 地 球 资 源 探 测 、 地 震 预 报 和 磁 性 材 料 研 究 等 方 面 ，经 常 要 对 磁 场 进 行 测 量 ， 测 量 磁 场 的 方 法 主 要 有 核 磁 共 振 法 、 霍 尔 效应 法 和 感 应 法 等 。 具 体 采 用 什 么 方 法 ， 要 由 被 测 磁 场 的 类 型 和 强 弱 来确 定 。 利 用 霍 尔 效 应 可 以 制 造 精 确 的 测 量 磁 感 应 强 度 的 仪 器 高 斯 计， 它 具 有 结 构 简 单 、 探 头 体 积 小 、 测 量 快 和 直 接 连 续 读 数 等 优 点 ， 特别 适 合 于 测 量 只 有 几 个 毫 米 的 磁 极 间 的 磁 场 ， 缺 点 是 测 量 结 果 受 温 度 的 影 响 较 大 。 霍尔效应的应用 3、 电 磁 无 损 探 伤 霍 尔 效 应 无 损 探 伤 方 法 安 全 、 可 靠 、 实 用 ， 并 能 实 现 无 速 度 影响 检 测 ， 因 此 ， 被 应 用 在 设 备 故 障 诊 断 、 材 料 缺 陷 检 测 之 中 。 其 探 伤原 理 是 建 立 在 铁 磁 性 材 料 的 高 磁 导 率 特 性 之 上 。 采 用 霍 尔 元 件 检 测 该泄 漏 磁 场 B的 信 号 变 化 ， 可 以 有 效 地 检 测 出 缺 陷 存 在 。 钢 丝 绳 作 为 起重 、 运 输 、 提 升 及 承 载 设 备 中 的 重 要 构 件 ， 被 应 用 于 矿 山 、 运 输 、 建筑 、 旅 游 等 行 业 ， 但 由 于 长 期 使 用 ， 在 它 表 面 会 产 生 断 丝 、 磨 损 等 各种 缺 陷 ， 所 以 ， 及 时 对 钢 丝 绳 探 伤 检 测 显 得 尤 为 重 要 。 目 前 ， 国 内 外公 认 的 最 可 靠 、 最 实 用 的 方 法 就 是 漏 磁 检 测 方 法 ， 根 据 这 一 检 测 方 法设 计 的 断 丝 探 伤 检 测 装 置 ， 如 EMTC 系 列 钢 丝 绳 无 损 检 测 仪 ， 其 金属 截 面 积 测 量 精 度 为 0.2 ， 一 个 捻 距 内 断 丝 有 一 根 误 判 时 准 确 率90 ， 性 能 良 好 ， 在 生 产 中 有 着 广 泛 的 用 途 。 4、 现 代 汽 车 工 业 上 应 用 汽 车 上 广 泛 应 用 的 霍 尔 器 件 就 包 括 ： 信 号 传 感 器 、ABS系 统 中 的 速 度 传 感 器 、 汽 车 速 度 表 和 里 程 表 、 液 体物 理 量 检 测 器 、 各 种 用 电 负 载 的 电 流 检 测 及 工 作 状 态 诊断 、 发 动 机 转 速 及 曲 轴 角 度 传 感 器 、 各 种 开 关 等 。 例 如 用 在 汽 车 开 关 电 路 上 的 功 率 霍 尔 电 路 ， 具 有抑 制 电 磁 干 扰 的 作 用 。 因 为 汽 车 的 自 动 化 程 度 越 高 ， 微电 子 电 路 越 多 ， 就 越 怕 电 磁 干 扰 。 而 汽 车 上 有 许 多 灯 具和 电 器 件 在 开 关 时 会 产 生 浪 涌 电 流 ， 使 机 械 式 开 关 触 点产 生 电 弧 ， 产 生 较 大 的 电 磁 干 扰 信 号 。 采 用 功 率 霍 尔 开关 电 路 就 可 以 减 小 这 些 现 象 。 中 国 科 学 家 发 现 的 量 子 反 常 霍 尔 效 应 也 具 有 极 高 的 应用 前 景 。 量 子 霍 尔 效 应 的 产 生 需 要 用 到 非 常 强 的 磁 场。 而 量 子 反 常 霍 尔 效 应 与 普 通 的 霍 尔 效 应 在 本 质 上 完全 不 同 ， 量 子 反 常 霍 尔 电 导 是 由 于 材 料 本 身 的 自 发 磁化 而 产 生 的 。 实 现 了 零 磁 场 中 的 量 子 霍 尔 效 应 ， 就 有可 能 利 用 其 无 耗 散 的 边 缘 态 发 展 新 一 代 的 低 能 耗 晶 体管 和 电 子 学 器 件 ， 从 而 解 决 电 脑 发 热 问 题 和 摩 尔 定 律的 瓶 颈 问 题 。 这 些 效 应 可 能 在 未 来 电 子 器 件 中 发 挥 特殊 作 用 ： 无 需 高 强 磁 场 ， 就 可 以 制 备 低 能 耗 的 高 速 电子 器 件 ， 例 如 极 低 能 耗 的 芯 片 ， 进 而 可 能 促 成 高 容 量的 全 拓 扑 量 子 计 算 机 的 诞 生 这 意 味 着 个 人 电 脑 未来 可 能 得 以 更 新 换 代 。 实 验 目 的 ：1、 验 证 霍 尔 传 感 器 输 出 电 势 差 与 螺 线 管 内 的 磁 感 应 强 度 成正 比 。2、 测 量 集 成 线 性 霍 尔 传 感 器 的 灵 敏 度 。3、 测 量 螺 线 管 内 磁 感 应 强 度 与 位 置 之 间 的 关 系 ， 求 得 螺 线管 均 匀 磁 场 范 围 及 边 缘 的 磁 感 应 强 度 。4、 学 习 补 偿 原 理 在 磁 场 测 量 中 的 应 用 。 实验原理u现 象 霍 尔 效 应 在 长 方 形 导 体 薄 板 上 通以 电 流 ， 沿 电 流 的 垂 直 方 向施 加 磁 场 ， 就 会 在 与 电 流 和磁 场 两 者 垂 直 的 方 向 上 产 生电 势 差 ， 这 种 现 象 称 为 霍 尔效 应 ， 所 产 生 的 电 势 差 称 为霍 尔 电 压 。 若 用 一 块 如 图 所 示 的 N型 半 导 体 试 样 （ 导 电 的 载 流 子 是 电 子 ）设 试 样 的 长 度 为 L 、 宽 度 为 b ， 厚 度 为 d ， 若 在 x 方 向 通 过电 流 IS ， 电 子 电 荷 以 速 度 V 向 左 运 动 。 若 电 子 的 电 荷 量为 e ， 自 由 电 子 浓度 为 n ， 则 若 在 Z 轴 方 向 加 上 恒 定 的 磁 场 B ， 电 子 电 荷 在 沿 X 轴 负 方向 运 动 时 将 受 到 洛 伦 兹 力 的 作 用 ， 洛 伦 兹 力 用 f B 表 示 ：SI envbd （ 1）B Bf ev （ 2） efBfSI SIvb d l+ + + + + + + + u理 论 分 析 由 于 洛 伦 兹 力 的 作 用 ， 使 得 电 子 将 沿 的 方 向 向 下 侧 偏移 （ 即 轴 的 负 方 向 ） ， 这 样 就 引 起 了 侧 电 子 的 积 累 ， 侧 正 电 荷 的 积 累 ， 从 而 使 两 侧 出 现 电 势 差 ， 且 点 高 于 点 ， 所 以 在 试 样 中 形 成 了 横 向 电 场 ， 这 一 电 场 就 称 为 霍尔 电 场 。 该 电 场 又 对 电 子 具 有 反 方 向 的 静 电 力 。 （ 3） （ 此 力 方 向 向 上 ）BfHEe Hf eE 电 子 受 到 电 场 力 和 磁 场 力 的 作 用 ， 一 方 面 使 电子 向 下 偏 移 ， 另 一 方 面 电 子 又 受 到 向 上 的 阻 碍 电 子 向 下 偏 移的 力 。 由 于 这 两 个 力 的 作 用 所 以 电 子 在 半 导 体 试 样 侧 面 的 积累 不 会 无 限 止 地 进 行 下 去 ： 在 开 始 阶 段 ， 电 场 力 比 磁 场 力 小 ，电 荷 继 续 向 侧 面 积 累 ， 随 着 积 累 电 荷 的 增 加 ， 电 场 力 不 断 增加 ， 直 到 电 子 所 受 的 电 场 力 和 磁 场 力 相 等 ， 即 时 ，电 子 不 再 横 向 漂 移 ， 结 果 在 、 两 面 形 成 恒 定 的 电 势 差 叫霍 尔 电 势 差 。 ef B ef fHU y S PP S P SBf B ef f 即 （ 4） （ 5） （ 6） （ 7） HB Eev eHE Bv由 固 体 物 理 理 论 可 以 证 明 金 属 的 霍 尔 系 数 为SH P S H I BU V V E b vBb ned 1 HR ne HR式 中 为 载 流 子 浓 度 ， 为 载 流 子 所 带 的 电 量 。 是 一 常 量 ， 仅 与 导 体 材 料 有 关 ， 它 是 反 映 材 料 霍尔 效 应 强 弱 的 重 要 参 数 en 1HH RK d ned H H SU K I B SH H I BU R d由 （ 6） （ 7） 式 得由 此 可 以 定 义 霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 （ 8）（ 9）（ 10） 可 见 ， 只 要 测 出 霍 尔 电 势 差 和 工 作 电 流 ， 就 可 以 求 出 磁感 应 强 度 。 当 给 定 ， 改 变 时 可 得 到 ， 呈 线 性 关 系 ， 直线 斜 率 就 是 。 由 公 式 （ 9） 可 求 得 HU SI SI HU H SU IHK B HRBB 由 可 以 确 定 以 下 参 数 ： 导 电 类 型 如 图 ： 由 于 运 动 电 荷 受 到 洛 伦 兹 力 的 作 用 ， 使 其 S侧 积 累 负 电 荷 ， P侧 积累 正 电 荷 ， 因 此 电 势 差 是 P点 高 于 S点 ， 则 为 N型 半导 体 。 0HU 0HR HR SI SIv efBf p型 半 导 体 导 电 载 流 子 为 空 穴 ， 空 穴 相 当 于 带 正 电 的 粒 子 ， 带 正电 粒 子 其 运 动 方 向 和 电 流 运 动 方 向 相 同 ， 如 图 所 示 ： 0HU 0HR 带 正 电 的 粒 子 在 洛 伦 兹 力 作 用 下 ， 其 正 电 荷 向 下 偏 移 ， 上 侧 积 累 了负 电 荷 ， 形 成 下 高 上 低 的 电 势 差 。 这 时 ， 则 ， 所 以 是 p型 半 导 体 。 vSI SIefBf 求 载 流 子 浓 度 （ 11） 这 个 关 系 式 是 假 定 所 有 的 载 流 子 都 具 有 相 同 的 漂 移 速 度 得 到 的 ， 但 是 严格 说 来 ， 考 虑 载 流 子 的 速 度 统 计 分 布 ， 霍 尔 系 数 表 达 式 中 应 当 乘 以 一 个 修 正因 子 3/8 ： （ 12） 1Hn R e 3 18 .HR ne 由 以 上 讨 论 可 知 ， 霍 尔 电 压 与 载 流 子 浓 度 成 反 比 ， 即 导 电 材 料 的 载 流子 浓 度 越 大 ， 霍 尔 系 数 就 越 小 ， 霍 尔 电 势 差 就 越 小 ， 一 般 金 属 中 的 载流 子 是 自 由 电 子 ， 其 浓 度 很 大 (大 约 )， 所 以 金 属 材 料 的 霍 尔 系 数 很 小 ， 霍尔 效 应 不 显 著 。 半 导 体 材 料 的 载 流 子 浓 度 要 比 金 属 小 得 多 ， 能 够 产 生 较 大 的 霍尔 电 势 差 ， 所 以 霍 尔 片 要 用 半 导 体 材 料 做 成 ， 而 不 用 金 属 材 料 做 霍 尔 片 。 另 外 载 流 子 浓 度 的 大 小 受 温 度 的 影 响 较 大 ， 所 以 要 注 意 消 除 温 度 的 影 响 。 还 有 ， 霍 尔 电 压 与 通 过 霍 尔 片 的 工 作 电 流 和 电 荷 所 受 的 磁 场 的 乘 积 成正 比 ， 与 霍 尔 片 厚 度 成 反 比 ， 霍 尔 片 厚 度 越 小 ， 霍 尔 电 动 势 就 越 大 ， 所 以制 作 霍 尔 片 时 往 往 采 用 减 小 的 办 法 来 增 加 霍 尔 电 动 势 ， 从 而 提 高 灵 敏 度 。nHUn HUHRHU Bd 22 310 cm dd 埃 廷 斯 豪 森 效 应 霍尔效应中的负效应由 于 材 料 中 载 流 子 的 速 度 不同 ， 电 子 实 际 上 并 非 以 同 一速 度 v 沿 X轴 负 向 运 动 ， 速 度大 的 电 子 回 转 半 径 大 ， 能 较快 地 到 达 接 点 3的 侧 面 ， 从 而导 致 3侧 面 较 4侧 面 集 中 较 多能 量 高 的 电 子 ， 结 果 3、 4侧面 出 现 温 差 ， 产 生 温 差 电 动势 Ve 。 容 易 理 解 Ve的 正 负与 I和 B的 方 向 有 关 。 。 能 斯 特 效 应 霍尔效应中的负效应焊 点 1 、 2 间 接 触 电 阻 可 能不 同 ， 通 电 发 热 程 度 不 同， 故 1 、 2 两 点 间 温 度 可 能不 同 ， 于 是 引 起 热 扩 散 电流 。 与 霍 尔 效 应 类 似 ， 该热 流 也 会 在 3 、 4 点 间 形 成电 势 差 Vn。 若 只 考 虑 接 触电 阻 的 差 异 ， 则 N的 方向 仅 与 B的 方 向 有 关 。 里 吉 -勒 迪 克 效 应 霍尔效应中的负效应在 能 斯 特 效 应 的 热 扩散 电 流 的 载 流 子 由 于速 度 不 同 ， 一 样 具 有厄 廷 豪 森 效 应 ， 又 会在 3 、 4 点 间 形 成 温 差电 动 势 Ve。 Ve的 正负 仅 与 B的 方 向 有 关， 而 与 I的 方 向 无 关。 不 等 位 效 应 制 备 霍 尔 样 品 时 ,由 于 制 造上 困 难 及 材 料 的 不 均 匀 性 ，3、 4两 点 实 际 上 不 可 能 在同 一 条 等 势 线 上 。 因 此 ，即 使 未 加 磁 场 ， 当 I流 过 时 ，3、 4两 点 也 会 出 现 电 势 差Vo。 Vo的 正 负 只 与 电 流 方向 I有 关 ， 而 与 B的 方 向 无关 霍尔效应中的负效应 霍尔效应中负效应的消除u埃 廷 斯 豪 森 效 应 E 方 向 与 I和 方 向 有 关 。u能 斯 特 效 应 N方 向 只 与 方 向 有 关 。u里 吉 -勒 迪 克 效 应 的 方 向 只 与 的 方 向 有 关u不 等 位 效 应 U0的 方 向 只 与 I的 方 向 有 关 。负 效 应 的 消 除 ： 改 变 I和 B的 方 向 ， 即 对 称 测 量 法 。+B,+I, 测 得 电 压 U1=UH+UE+UN+URL+U0+B,-I, 测 得 电 压 U 2=-UH-UE+UN+URL-U0-B,-I, 测 得 电 压 U3=UH+UE-UN-URL-U0-B,+I, 测 得 电 压 U4=-UH-UE-UN-URL+U0UH=（ U1-U2+U3-U4)/4-UE 忽 略 UE 则 UH=（ |U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4 本 实 验 采 用 FD-ICH-II新 型 教 学 仪 器 该 仪 器 采 用 先进 的 集 成 线 性 霍 尔 元 件 制 成 的 霍 尔 传 感 器 内 含 激 光 修 正 隔膜 电 阻 ， 提 供 精 确 的 灵 敏 度 和 温 度 补 偿 ， 不 必 考 虑 剩 余 电压 影 响 ， 解 决 了 一 般 霍 尔 元 件 存 在 的 灵 敏 度 低 ， 剩 余 电 压干 扰 及 螺 线 管 升 温 引 起 输 出 不 稳 定 等 不 足 ， 因 而 能 精 确 测量 通 电 螺 线 管 磁 场 分 布 ， 了 解 和 掌 握 集 成 线 性 霍 尔 元 件 测量 磁 场 的 原 理 和 方 法 以 及 学 会 测 量 霍 尔 元 件 灵 敏 度 的 方 法。 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 .完 成 这 一 实 验 任 务 ， 必 须 做 以 下 工 作 ：仪 器 调 节 (将 仪 器 调 节 到 标 准 工 作 状 态 ).仪 器 标 定 (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 . 关键提示本 实 验 关 键 点 如 下 ：1.接 线2.调 标 准 工 作 状 态3.定 标 ： 固 定 位 置 、 改 变 励 磁 电 流4.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 。 实验装置FD-ICH-II型 螺 线 管 磁 场 测 定 仪包 括 实 验 主 机 、 集 成 霍 耳 传 感 器 探 测 棒 、 螺 线 管 、 双 刀 和 单 刀 换 向 开 关 、 三 芯 电 源 线 及 导 线 若 干 . 实验装置电源组和数字电压表 实验装置集成霍耳传感器探测棒、螺线管 实验装置双刀和单刀换向开关 实验装置本 实 验 仪 采 用 SS95A型 集 成 霍 尔 传 感 器 ， 内 部 结 构 如 图 ：u在 零 磁 场 条 件 下 ，调 节 V+、 V-所 接 的电 源 电 压 ， 使 输 出 电压 为 2.500V时 ， 传 感器 工 作 电 流 即 为 标 准工 作 电 流 . SHSH IKVIKVB ).( 5002 V为 霍 尔 传 感 器 输 出 电 压标 准 工 作 电 流 下 磁 场 与 霍 尔 元件 输 出 电 压 的 关 系 为 ： u测 量 时 霍 尔 传 感 器必 须 处 于 标 准 工 作 电流 下 .V+和 V-构 成 电流 输 入 端 Vout和 V-构 成电 压 输 出 端V 是 用 2.500V外 接 电 压 补 偿 后的 输 出 值 . 实验步骤：仪器调节连 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 (IS)的 电 路 .连 接 输 出 霍 尔 电 压 的 电 路 .连 接 外 接 补 偿 电 压 (2.500V)的 电 路 . 详 见 下 页 图 示 . 实验步骤：仪器调节为 螺 线 管 提 供 励 磁 电流 (流 过 螺 线 管 的 电流 )， 产 生 磁 场 . 外 接 2.500V补 偿 电 压 u注 意 ： V+、 V-不 能 接 反 ， 否 则 将 损 坏 元 件 . 调 节 外 接 2.500V补 偿 电 压 调 节 霍 尔 元件 工 作 电 流双 刀 换 向 开 关K 2用 于 改 变 励磁 电 流 的 方 向 . 显 示 励 磁 电 流 大 小调 节 励磁 电 流集 成 霍 尔 元 件 霍 尔 元 件 位 置 读 数 显 示 霍 尔元 件 输 出电 压 .量 程切 换 实验步骤：仪器调节 二 . 将 霍 尔 元 件 的 工 作 电 流 调 节 为 标 准 工 作 电 流将 开 关 K1指 向 位 置 1， 调 节 4.8V5.2V电 源 输 出 电 压 ， 使数 字 电 压 表 显 示 的 “ Vout” 和 “ V-”间 的 电 压 为 2.500V，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 流 为 标 准 工 作 电 流 。断 开 开 关 K2， 使 集 成 霍 耳 传 感 器 处 于 零 磁 场 条 件 下 .K2仍 断 开 ， 保 持 V+和 V-电 压 不 变 ， 把 开 关 K1指 向 2， 调 节2.4V2.6V的 外 接 补 偿 电 压 ， 使 数 字 电 压 表 在 mV档 的 示值 为 0， 即 用 一 个 外 接 2.500V电 位 差 对 传 感 器 输 出 的2.500V电 位 差 进 行 补 偿 ， 以 便 可 直 接 读 出 V .三 . 对 传 感 器 输 出 的 2.500V电 位 差 进 行 补 偿实验步骤：仪器调节 霍 尔 元 件 置 于 螺 线 管 中 央 ， 改 变 励 磁 电 流 IM (0-500mA) ， 每 隔 50mA测 一 次 ， 测 量 V-IM 关 系 (测10组 数 据 ).IM为 螺 线 管 通 电 电 流 用 最 小 二 乘 法 求 出 V-IM， 直 线 的 斜 率 和 相 关 系 数 r。 K = MVI 实验内容1：霍尔电势差与磁感应强度B的关系n 方 法 ： 霍 尔 元 件 位 置 固 定 (置 于 螺 线 管 的 中 央 )， 改变 励 磁 电 流 . 注 意 ： 两 端 的 磁 场 变 化 快 而 中 间 变 化 慢 ， 测 量 点 在 两边 应 比 中 间 取 得 密 一 些用 测 得 的 轴 线 上 各 点 的 磁 感 应 强 度 ， 绘 制 螺 线 管 轴 线 上磁 场 的 分 布 曲 线 . 励 磁 电 流 为 0时 ， 霍 尔 电压 总 为 0吗 ？IM=0时 ， 由 于 地 磁 场 的 存 在 ，VH不 一 定 为 0， 怎 样 消 除 地 磁场 的 影 响 ？u每 个 点 IM正 、 反 向 各 测 一 次 ， 取 二 者 绝 对 值 的 平 均 值作 为 该 点 的 数 据 ， 即 可 消 除 地 磁 场 的 影 响 .实验内容2：螺线管轴线磁场分布的测量n 方 法 ： 保 持 励 磁 电 流 不 变 (250mA)， 改 变 霍 尔 元 件 位 置(030.0cm) ， 测 量 螺 线 管 轴 线 上 各 点 的 霍 尔 电 压 。 实验数据表格灵敏度的测定 表 1 测 量 霍 尔 电 压 (已 放 大 )与 励 磁 电 流 IM的 关 系 (霍 尔 传 感 器 处 于 螺 线 管 中 央 位 置 ， 即 X=17.0cm处 ) 2mI mI U 实验数据表格通电螺线管内磁感应强度分布的测定 X/cm U1/m V U2/mV U/m V B/mT1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 7.00 7.50 UB= K 实验数据表格通电螺线管内磁感应强度分布的测定 X/cm U1/m V U2/mV U/m V B/mT8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 实验数表格通电螺线管内磁感应强度分布的测定 X/cm U1/m V U2/mV U/m V B/mT23.00 24.00 24.50 25.00 25.50 26.00 26.50 27.00 27.50 28.00 28.50 29.00 29.50 30.00 2、计算集成霍尔元件的灵敏度K0 2 2NB = IL +D m中 心 2 20L +DK= KN 已 知 ： 螺 线 管N=3000匝 ， L=26.00cm, D=35.0mm(螺 线 管 的 平 均 直 径 )，真 空 磁 导 率 -70=4 10 /m 实 验 数 据 处 理 实 验 数 据 处 理 3、 确 定 磁 场 均 匀 区 和 螺 线 管 长 度 根 据 表 螺 线 管 内 轴 线 上 磁 感 应 强 度 分 布 曲 线 从 而 定 出 螺 线 管 磁 感 应 强 度 B的 均 匀 区 。 实 验 完 毕 后 ， 拆 除 接 线 前 应 先 将 螺 线 管 工 作 电 流 调 至 零 ， 再关 闭 电 源 ， 以 防 止 电 感 电 流 突 变 引 起 高 电 压 .实 验 完 毕 后 ， 请 逆 时 针 旋 转 仪 器 上 的 三 个 调 节 旋 钮 ， 使 其 恢复 到 起 始 位 置 (最 小 的 位 置 ).注意事项仪 器 应 预 热 10分 钟 后 测 量 数 据 . 3、确定磁场均匀区和螺线管长度螺 线 管 中 心 磁 感 应 强 度 值 理 论 ： 0 2 2NB = IL +D m中 心0 0 0B -B 100% 1%B 可 计 算 出 0B 从 而 定 出 螺 线 管 的 均 匀 区 。 实 验 数 据 处 理