02螺线管磁场的测定2015

实验名称：用霍尔传感器测定螺线管磁场

姓 名

学 号 班 级

桌 号 教 室 基础教学楼1108 实验日期 20 年

月 日 时段

同组同学 指导教师

一、实验目的（请先参阅实验教材上《磁场测量》的内容，然后充分阅读实验报告！） 1、验证霍尔传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 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。 二、实验仪器

FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪，包括：实验主机、螺线管、集成霍尔传感器探测棒、单刀双掷开关、双刀双掷换向开关、、连接导线（4红，4黑）若干组成。其仪器装置如图1所示。

图1 新型螺线管磁场测定仪仪器装置

三、实验原理

把一块半导体薄片（锗片或硅片）放在垂直于它的磁场B 中，如图2所示，当沿AA ′方向（Y 轴方向）通过电流I 时，薄片内定向移动的载流子受到洛伦兹力f B 的作用而发生偏转。从而在DD ′间产生电位差U H ，这一现象称为 。这个电位差称为 。

由电磁理论可得：

U H ＝ （1）

式中，K H ＝

ned

1

称为霍尔元件的灵敏度，n 为载流子浓度，e 为载流子电荷电量。d 为半导体薄片厚度

虽然从理论上讲霍尔元件在无磁场作用(即B=0)时，U H =0，但实际中，在产生霍尔效应的同时，还伴随着几个副效应，它们分别是

； ； ； 。所以用数字电压表测时U H 并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀及各电极不对称等引起附加电势差，该电势差U 0称为剩余电压。

随着科技的发展，新的集成化(IC)元件不断被研制成功。本实验采用SS95A 型集成霍尔传感器(结构示意图如图3所示)是一种高灵敏度集成霍尔传感器，它由霍尔元件、放大器和薄膜电阻剩余电压补偿组成。测量时输出信号大，并且剩余电压的影响已被消除。对SS95A 型集成霍尔传感器，它由三根引线，分别是:“V +”、“V -”、“V out ”。其中“V +”和“V -”构成“电流输入端”，“V out ”和“V -”构成“电压输出端”。由于SS95A 型集成霍尔传感器，它的工作电流已设定，被称为标准工作电流，使用传感器时，必须使工作电流处在该标准状态。在实验时，只要在磁感应强度为零(零磁场)条件下，调节“V +”、“V -”所接的“霍尔片工作电压”调节旋钮，使霍尔片传感器输出电压为2.500V(在数字电压表上显示)，则传感器就可处在标准工作状态之下。

图3 95A 型集成霍尔元件内部结构图

图2 霍耳效应原理图

当螺线管内有磁场且集成霍尔传感器在标准工作电流时，与(1)式相似，由(1)式可得：

K

U K U B '

)500.2(=-=（此处K 类似于（1）式中的K H I ，I ：工作电流，为确定值），式中U 为集成

霍尔传感器的输出电压，K 为该传感器的灵敏度，'

U 经用2.500V 外接电压补偿以后，用数字电压表测出的传感器输出值(仪器用mV 档读数)。 四、实验过程

仪器连线如图4所示。

上海复旦天欣科教仪器有限公司

图4 螺线管磁场测定仪连线图

1、实验接线如图4所示。左面数字直流稳流源的“励磁恒流输出”端接电流换向开关，然后接螺线管的线圈接线柱。右面稳压电源4.8V —5.2V 的输出接线柱(红)接霍尔元件的V ＋(即引脚2－红色导线)，直流稳压电源的⊥(黑)接线柱接霍尔元件的V-(即引脚3－黑色导线)，霍尔元件的V OUT （引脚1－黄色导线）接右边电压表‘电压输入’的＋(红)接线柱电压表切换到V 档(即拨动开关向上拨)。

2、检查接线无误后接通电源，断开励磁电流换向开关K 2，集成霍尔传感器放在螺线管的中间位置(X=17.0cm 处)，开关K 1拨向1，调节“霍尔片工作电压”调节旋钮，使右边数字电压表显示2.500V ，这时集成霍尔元件便达到了标准化工作状态，即集成霍尔传感器通过电流达到规定的数值，且剩余

电压恰好达到补偿，即U 0=0V 。

3、仍断开开关K 2，在保持“V +”和“V -”电压不变的情况下，把开关K 1拨向2，调节“补偿电压”调节旋钮（2.4V —2.6V 电源输出电压），使数字电压表指示值为0，然后将数字电压表量程拨动开关拨向mV 档，继续微调补偿电压旋钮，使输出为0，即达到了精确补偿（也就是用一外接2.500V 的电压与霍尔传感器传感器输出的2.500V 电压进行补偿）。这样就可直接用数字电压表读出集成霍尔传感器电压输出值'

U 。

4、测定霍尔传感器的灵敏度K

（1）改变输入螺线管的励磁电流m I ，将传感器置于螺线管的中央位置(即X=17.0cm)，测量'

U —m I 关系，记录10组数据，m I 范围在0—500mA ，每隔50mA 测一次。

（2）用最小二乘法求出'

U —m I 直线的斜率m

I U K ??=''

和相关系数r （要求用计算机或APP 软件处

理）。

（3）集成霍尔传感器的灵敏度

B

U K ??='

注：实验中所用螺线管参数为：

螺线管长度L=260±1mm ，N=(3000±20)匝，平均直径D =35±1mm ，而真空磁导率

m H /10470-?=πμ。由于螺线管为有限长，由此必须用公式：m I D

L N B 2

20

+=μ进行计算，

即B

U K ??='=

'02

2'

02

2K N

D

L I U N D L m μμ+=??+ (单位：伏/特斯拉，即：V/T)

5、测量通电螺线管中的磁场分布

(1) 当螺线管通恒定电流m I (例如250mA)时，测量'

U —X 关系。X 范围为0—30.0cm ，两端的测量

数据点应比中心位置的测量数据点密一些。

(2) 利用上面所得的传感器灵敏度K 计算B —X 关系，并作出B —X 分布图。

(3) 计算并在图上标出均匀区的磁感应强度'

0B 及均匀区范围(包括位置与长度)，理论值

m I D

L N

B 220

0+=μ,假定磁场变化小于1%的范围为均匀区(即%1%100|

|0

'

00≤?-B B B )。 (4) 已知螺线管长度L=26.0cm ，在图上标出螺线管边界的位置坐标(即P 与'

P 点，一般认为在边界

点处的磁场是中心位置的一半，即'

02

1'B B B P P ==)。验证'P P -间距约26.0cm 。 注意：

1． 测量m I U ~'时，传感器位于螺线管中央(即X=17.0cm ，即均匀磁场中)。 2． 测量X U ~'

时，螺线管通电电流m I 应保持不变。

3． 常检查m I =0（即螺线管磁场为0）时，传感器输出电压是否为2.500V 。 4． 用mV 档读'

U 值。当m I =0时，mV 指示应该为0。

5． 实验完毕后，请逆时针旋转仪器上的三个调节旋钮，使恢复到起始位置(最小的位置)。 2．选做内容

设计一个实验，用95A 型霍尔传感器测量手机扬声器附近最大磁场强度B ，每人单独测量，写清楚手机品牌，型号。 五、实验数据

1．霍尔电势差与励磁电流m I 的关系

将霍尔传感器置于螺线管中央位置(即X=17.0cm 处)；1'

U 为螺线管通正向直流电流时测得集成霍尔

传感器输出电压；

2

'

U 为螺线管通反向直流电流时测得集成霍尔传感器输出电压；

'U 为|1'U -2

'

U |/2

的值(测量正、反二次不同电流方向所产生磁感应强度值取平均值，可消除地磁场影响)。

表1 测量霍尔电势差'

U 与螺线管通电电流m I 关系

用最小二乘法求出'

U —m I 直线的斜率m

I U K ??='

'

和相关系数r(从网上下载软件到手机上，用手

机进行计算，要求手机是Android 系统)。

'K = ；相关系数r= 。

结论：1）由于螺线管内磁感应强度B 与通过螺线管励磁电流m I 成正比，所以表1数据可以证明霍尔电势差'

U 与磁感应强度B 成 （正比or 反比？）。 2）计算集成霍尔元件的灵敏度=K 。

2．通电螺线管内磁感应强度分布测定(螺线管的励磁电流m I =250mA)

表2 螺线内磁感应强度B 与位置刻度X 的关系(B=)/'

K U

根据表2描绘通电螺线管内磁感应强度分布图。

图5 通电螺线管内磁感应强度分布图

3. 确定磁场均匀区和螺线管长度：

螺线管中心磁感应强度理论值：=+=m I D

L N B 2

2

0μ T ，由

%1%100||0

'

00≤?-B B B 可以求出'

B = mT,从而定出螺线管的均匀磁场区，由上面图5可知，在X 1= cm 到X 2= cm 内螺线管为均匀磁场区。

由于

=2

B mT,在P ≈ cm 处P B =B 0/2；'P ≈ cm 处，'P B = B 0/2, 所以螺线管长度=-P P '

cm ，与理论值26cm 的百分误差为 %。

4、请设计一个实验，测量地磁场的水平分量大小（提示：指南针，95A 型集成霍尔传感器，参照之前实验内容自行设计实验过程）。要求写清楚实验过程及原理，并做简单的计算（不要求计算不确定度）。

5、设计一个实验，用95A 型霍尔传感器测量手机扬声器附近最大磁场强度B ，每人单独测量，写清楚手机品牌，型号。

六、思考题

1． 什么是霍尔效应？霍尔传感器在科研即生活中有何用途，请举例说明。

2．SS95A型集成霍尔传感器为何工作电流必须标准化？如果该传感器工作电流增大些，对其灵敏度有无影响？

3.如果螺线管在绕制中两边的单位匝数不相同或绕制不均匀，这时将出现什么情况？磁场将会如何分布？

七、注意事项

1．FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪-电源(以下简称实验电源)，供电电压交流220V，50H Z。电源插座位于机箱后面。新型电源插座内装0.5A保险丝，可方便保险丝的更换。

2．实验电源分三个部分(如上图1所示)，面板左面为数字式直流稳流源，用精密多圈电位器调节输出电流的大小，调节精度1mA，电流大小由三位半数字电流表显示；面板右边为四位半电压表，黑色拨动开关切换量程0—19.999V和0-1999.9mV。面板中间为直流稳压电源,对应输出接线柱上方是调节输出电压电位器(顺时针调节电压增加)。

3．集成霍尔元件的V＋和V＿不能接反，否则将损坏元件。

4．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。5．仪器应预热10分钟后测量数据。