螺线管内部磁场

用霍尔效应测螺线管轴向磁场分布
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、自动 控制、磁流体发电等科学 技术的许多领域中具有广 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.
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.
霍尔电势差U/mV
霍尔电压与励 磁电流的关系 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
(表2：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
—— 确定VH和IS即可求得磁感应强度的量值.
实验装置
IUV500 螺线管实验电源
包括集成霍耳传感器探测棒、螺线管、直流稳压电源、直流稳
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 流输入端
Vout和V-构成 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：
• 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 IM=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 总为0吗？ 场的影响？
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.
VH
电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力 达到平衡，形成稳 定电压VH
evB e VH b
mV
d



B
fB
v
- f E

mA


IS

b
实验原理
又考虑到(n为载流子浓度)
I S v dbne
evB 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. IS为流过霍尔元件的电流，即其工作电流.
V+(+) 测量时霍尔传感器 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：
B ( V 2 . 500 ) K H IS V
'
在零磁场条件下， 剩余电压补偿器 调节V+、V-所接的 V-(-) 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. V为霍尔传感器输出电压 V’是用2.500V外接电压补偿后的 输出值.
B/mT
0.29 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
(续表2)
X/cm 8.00 9.00 U’1/mV 108.0 108.9 U’2/mV -107.6 -108.4 U’/mV 107.80 108.65
显示励磁电流大小
FD-ICH-II
调节外接2.500V 补偿电压
调节霍尔元 件工作电流
量程 切换
新型螺线管磁场测定仪—电 源 V mA
数字电流表
ON
数字电压表
mV
+
励磁恒流输出
2.4V~2.6V
4.8V~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
VOUT
K H IS
实验内容：仪器调节
一. 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.
实验内容：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.
B/mT
3.53 3.56
10.00
11.00 12.00 13.00
109.2
108.9 108.7 109.2
-108.7
-108.4 -108.2 -108.6
108.95
108.65 108.45 108.90
3.57
3.56 3.56 3.57
14.00
15.00 16.00 17.00
109.7
V_
集成霍耳元件
3 2 1
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 K2用于改变励 磁电流将霍尔元件的工作电流调节为标准工作电流 断开开关K2，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下. 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“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，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 K2仍断开，保持V+和V-电压不变，把开关K1指向2，调节 2.4V—2.6V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’ .
V+和V- :给霍 尔元件提供 工作电流
Vout和V- :输 出霍尔电压 外接2.500V 补偿电压
注意：V+、V-不能接反，否则将损坏元件.
实验内容：仪器调节
显示励磁电流大小
FD-ICH-II
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
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IM的关系 (霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cm处)
0 0 50 22.2 100 44.1
250 200
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
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 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
3.58
3.56 3.54 3.51 3.46 3.38 3.25
28.00
28.50 29.00 29.50 30.00
93.5
83.5 69.0 52.4 36.2
-92.7
-83.1 -68.6 -51.8 -35.4
93.10
83.30 68.80 52.10 35.80
3.05
2.73 2.26 1.71 1.17
V
'
I M
.
N L D
2 2
螺线管中央处磁感应强度与励磁电流的关系: B 0
霍尔元件的灵敏度 K=KHIS为:
K V B L D V
2 2
IM
0 N
V K
I M
霍尔电压与磁感应强度的关系: B
实验内容：螺线管轴线磁场分布的测量
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 用上面已测定的灵敏度计算各点的磁感应强度.
110.2 110.4 110.7
-109.2
-109.5 -109.8 -110.1
109.45
109.85 110.10 110.40
3.59
3.60 3.61 3.62
18.00
19.00 20.00 21.00
110.7
110.6 110.6 110.5
-110.1
-109.8 -109.9 -109.8
110.40
110.20 110.25 110.15
3.62
3.61 3.61 3.61
22.00
110.2
-109.4
109.80
3.60
实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定
(续表2)
X/cm 23.00 24.00 U’1/mV 109.9 109.7 U’2/mV -109.2 -108.9 U’/mV 109.55 109.30
实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定