霍尔效应和测量螺旋管内轴线磁场
简介:
当电流垂直于外磁场方向通过导体时,在垂直于电流和磁场方向的导体两侧会产生电势差,这个现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的,后被称作为霍尔效应,目前霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且利用半导体的霍尔效应制成的器件已广泛的应用于磁场的测量,非电量电测,自动控制和信息处理等方面.
一,实验目的
(1)了解霍尔效应测磁场的工作原理;
(2)学会测量磁感强度,半导体的电导率和载流子浓度;
(3)用通电螺旋管中心点的磁感强度计算集成霍尔传感器的灵敏度;
(4)测定通电螺旋管轴线上的磁感强度的分布;
(5)测定地球磁场的磁感强度.
二,实验仪器
1,霍尔效应实验组合仪(励磁恒流源,样品工作恒流源,数字电压表,数字电流表);
2,电路控制和电磁铁及霍尔元件装置(霍尔元件,电磁铁,换向开关);
3,通电螺旋管磁场测定仪(95A集成霍尔传感器,螺旋管,电源和数字电表组合仪).
三,实验原理
1,霍尔效应
如图所示,正电荷在霍尔片内自左向右运动,速度为,当外加磁场以图示方向垂直穿过霍尔片时,电荷受到洛仑兹力向上运动,随着电荷的迁移,霍尔片的上下两面积聚了等量的正负分布电荷,形成了静电场,上下两面有电势差,这一电势差被称为霍尔电压,根据匀强电场场强与电势的关系可得
当分布电荷稳定时,电荷分别受到洛仑兹力和电场力的作用并处于平衡态.
通过霍尔片的电流密度,所以,为参与导电的载流子浓度
令为霍尔系数,则.(霍尔系数代表材料的属性)
若令为霍尔灵敏度,则.(霍尔灵敏度代表器件的属性)
实验中霍尔电压,霍尔电流可直接测出,为霍尔片的固定参数,由公式可得出磁感强度,实验中所使用的霍尔片共有4个电压测点,分布如图所示,霍尔电流由5,6两点引入.
霍尔电压可测2,4间电压或1,3间电压,为了减小霍尔片的不对称性和热磁效应对霍尔电压的影响,实验中分别改变霍尔电流和励磁电流的方向,分别测出在(),(),(),()四种情况下的霍尔电压,再取平均值.
如测出1,2两点间电压或3,4两点间以及给定的霍尔片参数可根据下式算出霍尔片的电导率.
E为传导方向上的电场
2,测定螺旋管内的磁场
实验中使用的霍尔装置为95A型霍尔元件,工作原理与上述基本相同,内部结构如图所示.它由霍尔元件,放大器和薄膜电阻剩余电压补尝电路组成,它可消除在测量过程中由于半导体的不均匀,负效应以及电极不对称引起的电势差,电势差称为剩余电压,而采用该电路结构可消除剩余电压,它比采用单一霍尔片更具优势.在工作时,V+和V间电源电压为5V左右,在磁感强度为零时,调节电源电压,使输出电压为2.5V在此标准状态下传感器的输出电压与磁感强度的关系为
四,实验内容和要求
1,霍尔效应
(1)按图连接好线路,霍尔电压可选择2,4或1,3两种接法之一.
(2)由已知B测定霍尔片灵敏度和载流子浓度.保持励磁电流为1000mA,此时为标准值,由资料给出(部分仪器达不到,请用最大电流,并由标准值换算),改变霍尔电流(0—10mA每隔1mA),依次测出对应的霍尔电压,通过作图,由关系和图求得斜率,由已知求得,霍尔系数,载流子浓度.
(3)磁场B的测定,调节励磁电流为500mA,工作电流=10mA,通过双掷开关使B和I分别换向,依次为(),(),(),()分别测出霍尔电压,,,用公式算出平均值,由给定的和公式算出.
(4)断开励磁电流,调节工作电流,从0mA开始,每隔0.1mA逐次增加,测量1,2或3,4间的电压,根据已知参数和公式计算电导率.
2,测定螺旋管内的磁场
(1)按图示连接电路.
(2)断开,开关指向1,调节电源电压使指示为2.5V,此时霍尔元件处在标准化工作状态.再将开关指向2,调节2.4V—2.6V档的电压,使电压表指示为零,此时剩余电压得到补偿,.
(3)将霍尔探头放置在螺旋管中部,接通使励磁电流在0—500mA范围内每隔50mA变化,测出对应的电压,作图求出曲线斜率.
(4)计算霍尔元件的灵敏度,仪器给定的线圈匝数N=3000匝,螺线管长L=0.260m.
,(其中为真空中的磁导率)
(5)通电螺旋管内磁感应强度分布.
接通,调节励磁电流=250mA,移动管中霍尔探头的位置,并在同一位置处改变励磁电流方向,测出对应的两个霍尔电压,取绝对值平均,由公式算出,在坐标纸上作—分布图

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