用霍尔元件测螺线管轴线磁场分布

用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布华中农业大学理学院应用物理系 物理实验教学中心

基于霍尔效应的霍尔元件 可用于测量磁感应强度和 电流，在测量技术、 电流，在测量技术、自动 控制、 控制、磁流体发电等科学 技术的许多领域中具有广 泛应用. 泛应用.

前言实验任务——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. 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(将仪器调节到标准工作状态). 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). 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. 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： 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 定标：固定位置、 4.测量：固定励磁电流、改变位置 测量：固定励磁电流、

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。

实验原理现象 —— 霍尔效应 载流导体薄板处在方向垂直于电流的磁场中 时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电势 霍尔电压V 差 —— 霍尔电压VH. 理论分析 磁场中运动载流子受洛伦兹力作用VH

电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力 达到平衡， 达到平衡，形成稳 定电压V 定电压VH

mV

B fB

v

VH evB = e b

d

b

+ - f E + + +mA

+

+

IS

实验原理又考虑到( 又考虑到(n为载流子浓度)

I S = v dbneevB = e VH b

VH =

1 IS B ne d

即： VH = K H I S B KH=1/(ned)称为霍尔元件的灵敏度. =1/(ned)称为霍尔元件的灵敏度. IS为流过霍尔元件的电流，即其工作电流. 为流过霍尔元件的电流，即其工作电流.

—— 确定VH和IS即可求得磁感应强度的量值. 确定V 即可求得磁感应强度的量值.

实验装置FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪 FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪

包括集成霍耳传感器探测棒 螺线管、直流稳压电源、 包括集成霍耳传感器探测棒、螺线管、直流稳压电源、直流稳 霍耳传感器探测棒、 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

V+和V-构成电 构成电 流输入端

Vout和V-构成 out和 电压输出端

本实验仪采用SS95A型集成霍尔传感器，内部结构如图： 本实验仪采用SS95A型集成霍尔传感器，内部结构如图： 型集成霍尔传感器V+(+)

测量时霍尔传感器 测量时霍尔

传感器 必须处于 处于标准工作电 必须处于标准工作电 流下.

霍耳元件

放大器

标准工作电流下磁场与霍尔元 件输出电压的关系为： 件输出电压的关系为：

在零磁场条件下， 零磁场条件下， 条件下 调节V 剩余电压补偿器 调节V+、V-所接的 电源电压， V-(-) 电源电压，使输出电 压为2.500V时 压为2.500V时，传感 器工作电流即为标准 器工作电流即为标准 工作电流. 工作电流. V为霍尔传感器输出电压 V’是用2.500V外接电压补偿后的 是用2.500V外接电压补偿后的 外接电压补偿后 输出值. 输出值.

VOUT

( V 2 .500 ) V' = B= KH IS KH IS

实验内容：仪器调节 实验内容：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( 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. 连接输出霍尔电压的电路. 连接外接补偿电压(2.500V)的电路 连接外接补偿电压(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：FD-ICH-II

为螺线管提供励磁电 流(流过螺线管的电流 产生磁场. ),产生磁场.V

新型螺线管磁场测定仪—电 源 mA

数字电流表ON

数字电压表mV

+励磁恒流输出

2.4V~2.6V4.8V~5.2V

+电压输入

上海复旦天欣科教仪器有限公司

2 K2 K1 0

1

V+和V- :给霍 尔元件提供 工作电流V_3 2 1

集成霍耳元件

V+ VOUT

外接2.500V 外接2.500V 补偿电压

位置读数

Vout和V- :输 out和 出霍尔电压

注意：V+、V-不能接反，否则将损坏元件. 不能接反，否则将损坏元件. 注意：

实验内容：仪器调节 实验内容：显示励磁电流大小FD-ICH-II

调节外接2.500V 调节外接2.500V 补偿电压

调节霍尔元 件工作电流V

新型螺线管磁场测定仪—电 源 mA

数字电流表ON

数字电压表mV

量程 切换

+励磁恒流输出

2.4V~2.6V4.8V~5.2V

+电压输入

上海复旦天欣科教仪器有限公司

调节励 磁电流K2

2 K1 0

1

显示霍尔 元件输出 电压. 电压.V_3 2 1

集成霍耳元件

V+ VOUT

位置读数

集成霍尔元件

霍尔元件位置读数

双刀换向开关K 双刀换向开关K2 用于改变励磁电 流的方向. 流的方向.

实验内容：仪器调节 实验内容：二. 将霍尔元件的工作电流调节为标准工作电流 断开开关K 使集成霍耳传感器处于零磁场条件下. 断开开关K2,使集成霍耳传感器处于零磁场条件下. 将开关K 指向位置1 调节4.8V—5.2V电源输出电压， 将开关K1指向位置1,调节4.8V—5.2V电源输出电压，使 数字电压表显示的“ 间的电压为2.500V, 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， 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，且剩余电压恰好补偿， 电流为标准工作电流，且剩余电压恰好补偿，V0=0V. 三. 对传感器输出的2.500V电位差进行补偿 对传感器输出的2.500V电位差进行补偿 K2仍断开，保持V+和V-电压不变，把开关K1指向2,调节 仍断开，保持V 电压不变，把开关K 指向2 2.4V—2.6V的外接补偿电压，使数字电压表在mV档的示 2.4V—2.6V的外接补偿电压，使数字电压表在mV档的示 即用一个外接 外接2.500V电位差对传感器输出的 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’ 2.500V电位差进行补偿，以便可直接读出V’ . 电位差进行补偿

实验内容：灵敏度的测定 实验内容：目的：确定霍尔电压 磁感应强度的 霍尔电压与 目的：确定霍尔电压与磁感应强度的关系. 方法：霍尔元件位置固定 置于螺线管的中央 固定( 中央) 方法：霍尔元件位置固定(置于螺线管的中央),改变 励磁电流.霍尔元件置于螺线管中央，改变励磁电流IM (0-500mA) ,测 霍尔元件置于螺线管中央，改变励磁电流I (0V’- 关系( 10组数据 组数据). 量V’-IM 关系(测10组数据). 注意区分I 注意区分IS 与IM

绘制V’-IM关系曲线，计算斜率 V’曲线，计算斜率 . I M N 螺线管中央处磁感应强度与励磁电流的关系 B = µ I 0 2 M : L2 + D 2 2 V ′ L + U U 2 霍尔元件的灵敏度 K= = B µ0 N I M K=KHIS为: V′ 霍尔电压与磁感应强度的关系: 霍尔电压与磁感应强度的关系: B = K

V '

实验内容：螺线管轴线磁场分布的测量 实验内容：方法：保持励磁电流不变(250mA), 方法：保持励磁电流不变(250mA),改变霍尔元件位置 (0~30.0cm) ,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， 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. 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间变化慢， 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 用测得的轴线上各点的磁感应强度， 磁场的分布曲线. 磁场的分布曲线. 励磁电流为0 励磁电流为0 IM=0时，由于地磁场的存在， =0时 由于地磁场的存在， 时，霍尔电压 VH不一定为0,怎样消除地磁 不一定为0 总为0 总为0吗？ 场的影响？ 场的影响？

每个点IM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均 反向各测一次， 值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响. 值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响.

实验数据例——灵敏度的测定

实验数据例——灵敏度的测定表1 测量霍尔电压(已放大)与励磁电流I 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) 霍尔传感器处于螺线管中央位置， X=17.0cm处0 0 50 22.2 100 44.1250 200

Im/mA U/mV

150 66.1

200 88.1

250

300

350

400

450

500

110.1 132.0 154.1 176.0 198.0 220.0

霍尔电势差U/mV

霍尔电压与励 磁电流的关系 曲线： 曲线：

150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600

螺线管通电电流Im/mA

实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(表2:螺线管内磁感应强度B与位置X的关系) 螺线管内磁感应强度B与位置X的关系)X/cm 1.00 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 U’1/mV 9.0 12.5 17.8 25.7 38.4 54.6 71.1 84.5 93.6 98.9 102.5 104.8 106.3 107.3 U’2/mV -8.8 -12.4 -17.8 -25.6 -38.3 -54.5 -70.9 -84.4 -93.4 -98.6 -102.2 -104.5 -105.9 -106.9 U’/mV 8.90 12.45 17.80 25.65 38.35 54.55 71.00 84.45 93.50 98.75 102.35 104.65 106.10 107.10

B/mT0.29 0.41 0.58 0.84 1.26 1.79 2.33 2.77 3.07 3.24 3.36 3.43 3.48 3.51

实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(续表2) 续表2)X/cm 8.00 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 U’1/mV 108.0 108.9 109.2 108.9 108.7 109.2 109.7 110.2 110.4 110.7 110.7 110.6 110.6 110.5 110.2 U’2/mV -107.6 -108.4 -108.7 -108.4 -108.2 -108.6 -109.2 -109.5 -109.8 -110.1 -110.1 -109.8 -109.9 -109.8 -109.4 U’/mV 107.80 108.65 108.95 108.65 108.45 108.90 109.45 109.85 110.10 110.40 110.40 110.20 110.25 110.15 109.80

B/mT3.53 3.56 3.57 3.56 3.56 3.57 3.59 3.60 3.61 3.62 3.62 3.61 3.61 3.61 3.60

实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(续表2) 续表2)X/cm 23.00 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 U’1/mV 109.9 109.7 109.5 109.1 108.5 107.6 106.1 103.6 99.5 93.5 83.5 69.0 52.4 36.2 U’2/mV -109.2 -108.9 -108.6 -108.2 -107.6 -106.6 -105.1 -102.7 -99.0 -92.7 -83.1 -68.6 -51.8 -35.4 U’/mV 109.55 109.30 109.05 108.65 108.05 107.10 105.60 103.15 99.25 93.10 83.30 68.80 52.10 35.80

B/mT3.59 3.58 3.58 3.56 3.54 3.51 3.46 3.38 3.25 3.05 2.73 2.26 1.71 1.17

实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定 实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定

螺线管内轴线上磁感应强度分布曲线

注意事项仪器应预热10分钟后测量数据 仪器应预热10分钟后测量数据. 分钟后测量数据. 实验完毕后，拆除接线前应先将螺线管工作电流调至零， 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. 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， 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). 复到起始位置(最小的位置).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rl9m.html