霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
霍尔效应测量螺线管磁场实验报告
霍尔效应测量螺线管磁场实验报告一、实验目的1、了解霍尔效应的基本原理。
2、掌握用霍尔效应测量螺线管磁场的方法。
3、学会使用霍尔效应实验仪，并对实验数据进行处理和分析。
二、实验原理1、霍尔效应当电流 I 沿垂直于磁场 B 的方向通过导体时，在导体垂直于电流和磁场的方向上会产生一个横向电位差 UH，这种现象称为霍尔效应。
霍尔电压 UH 与电流 I、磁感应强度 B 以及导体的厚度 d 等因素有关，其关系式为：UH ＝ KHIB/d，其中 KH 为霍尔元件的灵敏度。
2、螺线管磁场对于一个长直螺线管，其内部的磁场近似为均匀磁场，磁场强度 B 与电流 I、螺线管的匝数 N 和长度 L 有关，其关系式为：B ＝μ0nI，其中μ0 为真空磁导率，n ＝ N/L 为单位长度上的匝数。
三、实验仪器霍尔效应实验仪、螺线管、直流电源、数字电压表、毫安表等。
四、实验步骤按照实验电路图，将霍尔效应实验仪、螺线管、直流电源、数字电压表、毫安表等仪器正确连接。
2、调整仪器（1）将霍尔元件置于螺线管的中间位置，确保霍尔元件与螺线管的轴线平行。
（2）调节直流电源的输出电压，使通过螺线管的电流逐渐增大，观察数字电压表的读数变化，确保仪器正常工作。
3、测量霍尔电压（1）保持通过螺线管的电流不变，改变磁场方向（即改变电流方向），分别测量正、反向磁场下的霍尔电压 UH1 和 UH2，计算平均值UH ＝（UH1 ＋ UH2)／2，以消除副效应的影响。
（2）改变通过螺线管的电流 I，每次改变一定的值，测量对应的霍尔电压 UH，记录数据。
4、数据处理（1）根据测量数据，绘制 UH I 曲线。
（2）利用曲线的斜率和已知的霍尔元件灵敏度 KH，计算出螺线管内部的磁感应强度 B。
五、实验数据记录与处理｜通过螺线管的电流 I （mA) ｜霍尔电压 UH1 （mV) ｜霍尔电压UH2 （mV) ｜平均霍尔电压 UH （mV) ｜｜｜｜｜｜｜ 10 ｜ 125 ｜－120 ｜ 1225 ｜｜ 20 ｜ 250 ｜－245 ｜ 2475 ｜｜ 30 ｜ 370 ｜－365 ｜ 3675 ｜｜ 40 ｜ 490 ｜－485 ｜ 4875 ｜｜ 50 ｜ 610 ｜－605 ｜ 6075 ｜2、绘制 UH I 曲线以通过螺线管的电流 I 为横坐标，平均霍尔电压 UH 为纵坐标，绘制 UH I 曲线。
用霍尔元件测螺线管磁场实验报告精编版
实验三十用霍尔元件测螺旋磁场【实验目的】1.学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法。
2.学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
【实验仪器】TH—H型霍尔效应实验组合仪。
【实验原理】1.霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场E H。
如图 3-31-1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流I S，在 Z 方向加磁场 B ，则在 Y 方向即试样 A-A'电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。
电场的指向取决于式样的导电类型。
对于图3-31-1 (a)所示的N型试样，霍尔元件逆 Y 方向，图3-31-1(b)的 P 型试样则沿 Y 方向。
即有E h (Y )0(N型)E h (Y )0型(P )图 3-31-1 霍尔效应实验原理示意图*（注（ a）载流子为电子(N型)（ b）载流子为空穴( P型)）显然，霍尔电场 E H是阻止载流电子继续向侧面偏移，当载流电子所受的横向电场力 eE H与洛伦兹力 evB 相等时，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有eE H evB( 3-31-1 )式中， E H 为霍尔电场； v 是载流电子在电流方向上的平均漂流速度。
设试样的宽为 b ，厚度 d ，载流子浓度为 n ，则I S nevbd( 3-31-2 )由式（ 3-31-1）、式（ 3-31-2）可得V H E H b1 I S B R H I S B( 3-31-3 )ne dd即霍尔电压、'电极之间的电压)与I S B乘积成正比与试样厚度 d 成反比。
V H (A A比例系数R H1ne 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。
只要测出（ 、 B(Gs) 和 d (cm) ，可按下式计算 ( cm 3 / C )V H （V ) 以及知道 I S A)R H R HV H d 10 8( 3-31-4 )I S B上式中的 108 是由于磁感应强度 B 用电磁单位高斯 (Gs) ， d 用厘米 (cm) 单位，而其他各量均采用国际制单位引入。
霍尔效应法测量螺线管磁场
研胳wZprtf霍尔效应法测量螺线管磁场实验报告【实验目的】1•了解霍尔器件的工作特性。
2•掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。
3•用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。
4.考查一对共轴线圈的磁耦合度。
【实验仪器】长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。
【实验原理】1•霍尔器件测量磁场的原理图1霍尔效应原理如图1所示，有—N型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L,宽为b,厚为d，其四个侧面各焊有一个电极1、2、3、4。
将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I，则电子将沿负I方向以速ur ir u度运动，此电子将受到垂直方向磁场B的洛仑兹力F m ev e B作用，造成电子在半导体薄片的1测积累urn过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。
因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场E H，该电场对电子ur uuu uir n ir的作用力F H eE H，与F m ev e B反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起稳定的电压U H，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压U H , 1、2端输出的霍尔电压可由数显电压表测量并显示出来。
如果半导体中电流I是稳定而均匀的，可以推导出式中，R H为霍耳系数，通常定义K H R H /d ,由R H和K H的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，R H和K H有唯一确定的值，在电流I不变的情况下,U H R HU H满足：世K H IB , dK H称为灵敏度。
研島加吋与B有一一对应关系。
2•误差分析及改进措施由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B、丨方向。
如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6,并在5、6间连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2, 将线路完全接通后，可以调节滑动触头2，使数字电压表所测电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等势电势差，而且还可以测出不等势电势差的大小。
霍尔法测螺线管磁场实验报告
在一定磁场强度范围内，霍尔元件的输出电压与磁场强度呈线性关 系。
03 实验步骤
搭建实验装置
准备实验器材
01
螺线管、霍尔元件、电源、测量仪表等。
搭建实验装置
02
将螺线管放置在测量台上，将霍尔元件与测量仪表连接，并将
电源接入螺线管。
检查装置
03
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
确保所有连接正确无误，电源正常工作，测量仪表处于校准状
误差来源
实验中可能存在的误差来源包括测量 设备的精度问题、环境因素等。
误差分析
我们对误差来源进行了详细分析，并 计算了误差对实验结果的影响程度。 结果显示，误差对实验结果的影响较 小，实验结果可靠。
05 实验结论与建议
实验结论
01
霍尔效应法能够准确测量螺线管磁场强度，测量结果与理论值 基本一致。
掌握霍尔元件的使用方法
霍尔元件的安装
将霍尔元件放置在螺线管内部 导体上，确保连接牢固，避免
接触不良。
霍尔元件的校准
在测量前需要对霍尔元件进行 校准，以确保测量结果的准确 性。
霍尔元件的读数
根据霍尔元件的输出电压，可 以计算出磁场强度的大小。
注意事项
使用霍尔元件时要避免过载和 高温，以免损坏元件。
02 实验原理
磁场方向与电流方向的关系： 右手定则，即四指环绕电流方 向，大拇指指向即为磁场方向。
磁场强度与电流大小的关系： 电流越大，磁场强度越大。
霍尔元件的工作原理
霍尔元件的构造
通常由半导体材料制成，具有两个平行的电极，当电流通过时， 在电极之间产生电势差。
霍尔元件的输出信号
当霍尔元件处于磁场中时，由于霍尔效应产生的电势差会使得电极 之间产生电压输出。
@FB400霍尔效应法测螺线管线圈磁场讲义2015.11.20与仪器配套
用霍尔效应法测螺线管线圈磁场(FB400型螺线管磁场测定仪说明书)实验讲义杭州精科仪器有限公司霍尔效应和用霍尔效应法测量螺线管线圈磁场1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了一种电磁现象，此现象称为霍尔效应，半个多世纪以后，人们发现半导体也有霍尔效应，而且半导体霍尔效应比金属强得多。
近30多年来，由高电子迁移率的半导体材料制成的霍尔传感器已广泛用于磁场测量和半导体材料的研究。
用于制作霍尔传感器的材料有许多种：单晶半导体材料有锗、硅；化合物半导体有锑化铟、砷化铟和砷化镓等等。
在科学技术发展中，磁的应用越来越被人们重视。
目前霍尔传感器典型的应用有：磁感应强度测量仪(又称特斯拉计)，霍尔位置检测器，无触点开关，霍尔转速测定仪，A 2000~A 100大电流测量仪，电功率测量仪等。
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年德国冯·克利青教授在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是近年来凝聚态物理领域最重要发现之一。
目前对量子霍尔效应正在进行更深入研究，并得到了重要应用。
例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测定光谱精细结构参数等。
通过本实验学会消除霍尔元件副效应的实验测量方法，用霍尔传感器测量螺线管线圈励磁电流与输出霍尔电压之间关系，证明霍尔电势与螺线管内磁感应强度成正比；了解和熟悉霍尔效应重要物理规律,证明霍尔电势差与霍尔工作电流成正比；通过实验测定霍尔传感器的灵敏度，熟悉霍尔传感器的特性和应用；用该霍尔传感器测量螺线管线圈中心轴线上磁感应强度与位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置刻线的关系图，学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法。
【实验目的】1. 掌握用霍尔效应法测量磁场的原理,测量螺线管线圈中心轴线的磁感应强度分布。
2. 学会用FB400型螺线管磁场实验仪的使用方法。
3. 验证霍尔电势差与励磁电流(磁感应强度)及霍尔元件的工作电流成正比的关系式。
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管线圈内的磁场
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管线圈内的磁场霍尔效应是一种基于磁场和电场相互作用的物理现象，它可用于测量导体片中的电子浓度、电荷密度和磁场强度等参数。
在实际应用中，霍尔效应主要用于测量磁场强度，特别是在研究电流传输和电子器件中的磁场分布时。
常用的测量方法是通过将霍尔片置于磁场中，测量霍尔电压的大小和方向来确定磁场强度及其方向。
在测量螺线管线圈内的磁场时，最常用的方法是采用霍尔效应法。
测量时，将一个霍尔片置于螺线管线圈的中心，使其与磁场垂直。
当螺线管中有电流流过时，会产生一个稳定的磁场，霍尔片中的电子受磁场作用会分布在霍尔片表面，从而形成一个电荷层。
由于霍尔片的电阻极小，因此当磁场作用在电子上时，电子在霍尔片内部形成的电场可以产生一个微小的电压，即霍尔电压。
霍尔电压的大小与磁场强度成正比，并且具有极高的精度和稳定性，因此可以用来测量螺线管线圈内的磁场强度及其方向。
在实际应用中，霍尔效应法的测量精度受到许多因素的影响，例如霍尔片的材料、尺寸和温度等因素，以及测量电路的噪声和干扰等因素。
因此，在进行霍尔效应法测量时，需要采取一系列的措施来减小误差，提高测量精度。
一些工业和科研领域使用螺线管制造强磁场，例如MRI设备，核磁共振仪器以及磁力计等。
在这些设备中，螺线管的磁场强度和分布对设备的性能和精度有着重要的影响。
因此，对螺线管中磁场的测量具有重要的意义。
在螺线管中测量磁场时，使用霍尔效应法具有许多优点，例如测量精度高、对磁场分布的敏感性强、不需要接触对象、测量过程简便等。
但是，在实际应用中还需要考虑到许多不同的因素，例如霍尔片的选取、测量电路的搭建、磁场的影响等。
只有在全面考虑这些因素的情况下，才能够保证测量结果的准确性和可靠性。
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管线圈内的磁场
思考题： 思考题：
1.霍尔元件测量磁场的原理是怎样的？ 1.霍尔元件测量磁场的原理是怎样的？ 霍尔元件测量磁场的原理是怎样的 2.通电螺线管线圈内的磁场强度与位置 2.通电螺线管线圈内的磁场强度与位置 间是什么关系？ 间是什么关系？ 3.为何要测定霍尔传感器的灵敏度？ 3.为何要测定霍尔传感器的灵敏度？ 为何要测定霍尔传感器的灵敏度
实验原理： 实验原理：
RH U H = ( ) IB = K H IB d
(1)
集成霍尔元件图
螺线管线圈等装置图
仪器的使用说明： 仪器的使用说明：
由于SS495A型集成霍尔传感器的工作电流已定 由于SS495A型集成霍尔传感器的工作电流已定 SS495A 即标准工作电流），在使用传感器时， ），在使用传感器时 （即标准工作电流），在使用传感器时，必须处在 该标准状态。实验时， 该标准状态。实验时，只要在磁感应强度为零的条 件下，调节“V+、 所接的电源电压， 件下，调节“V+、V-”所接的电源电压，使输出电压 所接的电源电压 2.500伏 则传感器可处在标准工作状态下， 为2.500伏，则传感器可处在标准工作状态下，当通 电螺线管线圈内有磁场时， 式可得到： 电螺线管线圈内有磁场时，由（1）式可得到：
UH (U − 2.500) U ' B= = = KH I K K
( 2)
测螺线管线圈内的磁场接线图
250mA
2.610V mVΒιβλιοθήκη ++
+
实验内容： 实验内容：
1.调整仪器即输出电压。 1.调整仪器即输出电压。 调整仪器即输出电压 2.测定霍尔传感器的灵敏度。 2.测定霍尔传感器的灵敏度。 测定霍尔传感器的灵敏度 3.测量通电螺线管线圈内的磁场分布。 3.测量通电螺线管线圈内的磁场分布。 测量通电螺线管线圈内的磁场分布
用霍尔效应测量螺线管磁场
用霍尔效应测量螺线管磁场
在物理学中，霍尔效应是一种重要的电学现象，它是由当电流通过一条带电体时在该体内部磁场的作用下产生的电压差所引起的。
此现象可用于精确测量磁场及用于测量导电性的材料的电子和空穴浓度。
在实际应用中，霍尔效应的测量原理可以被应用在测量螺线管磁场中。
螺线管被用于创建强磁场，通常用于 MRI、医学诊断和其他磁性物质的研究。
霍尔效应可通过测量设备中的磁场，确定螺线管的磁场大小。
在霍尔效应的测量中，一个带有霍尔元件的电路用于测量电压差。
电路通过螺线管并测量其中的磁场。
在此过程中，载流子被引导进入螺线管并在霍尔元件中产生电压差。
电压差取决于电路之间的磁场强度和载流子的密度。
在霍尔元件中，电流在由霍尔靴子和蓝宝石芯片构成的三维结构中流动。
当电流通过靴子时，在霍尔晶片上形成一个单独的电场强度，与磁场垂直。
在磁场和电场耦合的情况下，电子和空穴的流动方向相反，从而产生一个电压信号。
通过测量霍尔元件中的电压差，可以确定磁场的大小。
霍尔元件的电压大小仅取决于电流和磁场的强度，因此可以用于精确测量螺线管的磁场大小。
然而，在霍尔效应测量的实际应用中，存在一些问题。
例如，《美国物理学会》指出，电子和空穴浓度的变化、体积效应和噪音会影响测量结果的准确性。
另外，虽然霍尔效应可以用于测量静态磁场，但对于快速变化的磁场，该方法并不适用。
总的来说，霍尔效应是精确测量螺线管磁场的一种有效方法。
通过了解霍尔效应的基本原理和其应用，可以更好地理解螺线管和磁场的特性。
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——形成‚具有‘控制变量法’特征的采集实验数 据‛的实验步骤；
•通电螺旋管的磁感应强度的分布
保持激磁电流为 250mA 不变 按照表二要求改变传感器的位置测出对应的 U H 值
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
五、实验操作 六、数据处理
•霍尔效应的特性研究
解读表1实验数据所能揭示的学科现象
作 U H I B 图，分析现象特征及计算斜率 依据实验数据运用公式计算霍尔元件的灵敏度
U H KH I H B
mA
工作电源
＋
双刀开关 螺线管
V- V+ OUT
霍尔元件
读数视窗
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
依据实验原理的依存条件
——形成‚使霍尔元件处于能满足实验原理所要求
的条件‛的实验步骤
霍尔工作电流的调整
U H KB
V 2.50V
V+
——无磁场状态下，使霍尔元件处于标准工作条件； 通过调节霍尔工作电源，使之 U H
使霍尔元件处于正常工作状态 将霍尔元件放置在长直通电螺线管中(保持螺线管电流不变) 改变霍尔元件在螺线管中的位置，用电压表测量霍尔电压 利用霍尔电压与磁感应强度之间的关系测量B的分布特征
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
三、实验系统的构建 主要实验部件 —— 基于问题元素：霍尔元件 霍尔元件 ——半导体元件 电路特征—— V+、V-、OUT
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
依据实验参量的因果关系
——形成‚具有‘控制变量法’特征的采集实验数 据‛的实验步骤；
•霍尔效应及其特性研究
按表一要求依次改变螺线管电流：每次改变量 50mA 测出对应的 U H 值
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
依据实验参量的因果关系
激磁电源
D 35.0mm
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
三、实验系统的构建 主要实验部件 —— 基于问题元素的关系：测量
工作平台——长直螺线管轴线 工作附件 ——带有刻度的圆柱体测量杆
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
三、实验系统的构建 实验部件的组合 ——实验平台的组合 元件定位——使带有刻度的定位杆处于长直螺线管中
读数视窗
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
依据实验原理的依存条件
——形成‚使霍尔元件处于能满足实验原理所要求
的工作条件‛的实验步骤
按要求完成电路的连接与调整
霍尔工作电流电路
霍尔输出测量电路 激磁电流工作电路
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
电压表 激磁电源
＋
V mV
原理示意图
其中：U H 霍尔电压； I H 半导体电流； B 磁感应强度；
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
二、实验方案的策划 实验原理 ——基于学科原理的实验图式
研究对象：95A型霍尔传感器 工作特征：U H KB
保持IH不变 实验条件： 用有限长直通电螺旋管产生B
用电压表测量UH
UH IB
K 1 U H I M
……
0
N L
L L2 D2
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
五、实验操作 六、数据处理 •通电螺旋管的磁感应强度的分布
依据实验数据运用公式计算磁感应强度
U 2.500 U 2 2.500 UH 1 2
……
B
UH K
作 U H I B 图 分析通电螺线管的磁感应强度的分布特征
霍尔磁场——将长直螺线管与激磁电源相连接 霍尔电路—— 由霍尔工作电源供提标准工作2.50V
利用数字式电压表测量霍尔电压
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
四、实验步骤的策划
依据实验原理的依存条件
——形成‚使霍尔元件处于能满足实验原理所要求
的条件‛的实验步骤
霍尔元件的定位与调整
使载有霍尔元件的定位杆处于长直螺线管中 ——在长直螺线管中的15.00cm处
实验内容的关系：
——霍尔效应→磁传感器→测量手段→ →测量通电螺线管磁场特性 ——霍尔电压与工作电流、磁感应强度的关系
半导体
磁场对运动电荷有力的作用—电荷被分离 电场对运动电荷的作用 —与磁力相反 静电力与洛伦磁力的平衡
UH
U H KH I H B
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
实验 八
——p41
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
一、实验任务的定位
研究对象：霍尔元件 、通电螺线管 研究任务： 霍尔效应 、磁场分布特征 任务性质：验证性
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
一、实验任务的定位
研究内容： •霍尔效应及其霍尔传感器的特性和应用 •通电螺线管线圈内的磁感应强度的分布
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
二、实验方案的策划
实验方法 ——霍尔电压与工作电流、磁感应强度的关系
让霍尔元件处于磁场中 使霍尔元件保持一定的工作电流 改变B(IB)的大小，用电压表测量霍尔电压
利用UH与B(IB)的关系分析其现象特征
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
二、实验方案的策划 实验原理 ——霍尔电压与工作电流、磁感应强度的关系
其中1：V+、V- →IH 工作电源 ——4.80～5.20V 其中2：OUT→ UH 电压测量 ——电压表
工作电源
电压表
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
三、实验系统的构建 主要实验部件 —— 基于问题元素：磁源 长直螺线管—— 磁源
线圈参数—— L 260.0mm N 3000 激磁电源——激磁电流 电源特性——直流、可调
95A型霍尔传感器：
有限长直通电螺旋管：
B 0 N IB L L L2 D 2
U H KB
灵敏度：K
1
0
N L
L L2 D2
U H I B
UH 磁感应强度： B K
——霍尔效应法测量通电长直螺旋管的磁场
霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管磁场
二、实验方案的策划
实验方法 ——霍尔效应法测量通电长直螺旋管的磁场