螺线管磁场测定

1、螺线管磁场测定本实验仪用集成霍耳传感器测量通电螺线管内直流电流与霍耳传感器输出电压之间关 系，证明霍耳电势差与螺线管内磁感应强度成正比，了解和熟悉霍耳效应的重要物理规律; 用通电长直螺线管中心点磁感应强度理论计算值作为标准值来校准集成霍耳传感器的灵敏 度；熟悉集成霍耳传感器的特性和应用；用该集成霍耳传感器测量通电螺线管内的磁感应强 度与位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置的关系图。从而学会用集成霍耳元件测量磁感应强度的方法。一、实验目的1. 了解和掌握集成线性霍耳元件测量磁场的原理和方法;2. 学会测量霍耳元件灵敏度的方法。3. 精确测量通电螺线管磁场分布，二、实验原理霍耳元件的作用如右图

2、2所示：假设电流I 流过厚度为d的半导体薄片，且磁场 B垂直于该半 导体，是电子流方向由洛伦茨力作用而发生改变， 在薄片两个横向面a、b之间应产生电势差，图2霍耳元件这种现象称为霍耳效应。在与电流I、磁场B垂直方向上产生的电势差称为霍耳电势差，通常用Uh表示。霍耳效应的数学表达式为:U H =(良)£ 二 Kh IB (1) dB为磁感应强度,其中Rh是由半导体本身电子迁移率决定的物理常数，称为霍耳系数。I为流过霍耳元件的电流强度，Kh称为霍耳元件灵敏度。虽然从理论上讲霍耳元件在无磁场作用即B=0时，Uh=O,但是实际情况用数字电压表测时并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀及各电极

3、不对称等引起附加电势差，该电势 差Uo称为剩余电压。随着科技的开展，新的集成化IC元件不断被研制成功。 本实验采用SS95A型集成霍耳 传感器结构示意图如图3所示是一种高灵敏度集成霍耳传感器，它由霍耳元件、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型集成霍耳传感器，它由三根引线，分别是：V+ V- Vout其中V+和“构成“电流输入端Vout禾和“构成“电压输出端由于SS95A型集成霍耳传感器，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-

4、所接的电源电压装置上有一调节旋钮可供调节，使输出电压为2.500V在数字电压表上显示，那么传感器就可处在标准工作状态之下。图395A型集成霍耳元件内部结构图当螺线管内有磁场且集成霍耳传感器在标准工作电流时，与1式相似，由1式可得:(U - 2.500)K式中U为集成霍耳传感器的输出电压,K为该传感器的灵敏度，U '经用2.500V夕卜接电 三、实验仪器压补偿以后，用数字电压表测出的传感器输出值仪器用mV档读数。FD-ICH-II新型螺线管磁场测定仪由集成霍耳传感器探测棒、螺线管、直流稳压电源00.5A ;直流稳压电源输出二档 2.4V 2.6V 和4.8V 5.2V;数字电压表19.9

5、99V 和 1999.9mV二档；双刀换向开关和单刀换向开关各一个，导线假设干组成。其仪器组成外型如 图1所示。四、实验内容1、 实验装置按接线图 1所示。螺线管通过双刀换向开关K2与直流恒流电源输出端相接。集成霍耳传感器的“ V+和分别与4.8V 5.2V可调直流电源输出端的正负相接正负极请勿接错。Vout和与数字电压表正负相接。2、 断开开关K2当K2处于中间位置时断开，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下，把开 关Ki指向1，调节4.8V 5.2V电源输出电压，数字电压表显示的“ Vout和V-的电压 指示值为2.500V ,这时集成霍耳元件便到达了标准化工作状态，即集成霍耳传感器通过电流到

6、达规定的数值，且剩余电压恰好到达补偿，U0=0V。3、仍断开开关K2,在保持“V+ 和V-电压不变的情况下，把开关 Ki指向2，调节2.4V 2.6V电源输出电压，使数字电压表指示值为0(这时应将数字电压表量程拨动开关指向mV档)，也就是用一外接 2.500V的电位差与传感器输出2.500V电位差进行补偿，这样就可直接用数字电压表读出集成霍耳传感器电势差的值U'。4、测定霍耳传感器的灵敏度K(1)改变输入螺线管的直流电流Im，将传感器处于螺线管的中央位置(即X=17.0cm)，测量U Im关系，记录10组数据，Im范围在0 500mA，可每隔50mA测一次。(2)用最小二乘法求出U I

7、m，直线的斜率K-I m和相关系数r。对于无限长直螺线管磁场可利用公式：B= %nI m( %真空磁导率,n为螺线管单位长度的匝数)，求出集成霍耳传感器的灵敏度iUK 二AB注：实验中所用螺线管参数为:螺线管长度 L=26.0 ±).1cm，N=(3000戈0)匝，平均直径 D =3.5±).1cm，而真空磁导率 =4二10H /m。由于螺线管为有限长，由此必须用公式:L2 D2Im进行计算。L D K'(单位：伏/特斯拉，即:%NV/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lm(例如250mA)时，测量U X关系。X范围为030.0cm ，端的

8、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BX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B0'及均匀区范围包括位置与长度,假定磁场变化小于1%的范围为均匀区即：B/Bo <1% 。并与产品说明书上标有均匀区>10.0cm进行比拟。4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1 - 位置的一半，即 BPB0 。P 25将上述结果与理论值比拟：Ia、 理论值 B。f 二。NIm，验证：1 B0 一 B0 1 100%： 1 %心 D2Bob、L=26.0cm，试证明P P'

9、;间距约26.0cm。考前须知：1、 测量U ' I m时，传感器位于螺线管中央 即均匀磁场中。2、测量U 'X时，螺线管通电电流Im应保持不变。3、 常检查Im=0时，传感器输出电压是否为2.500V。4、用mV档读U '值。当Im=0时，mV指示应该为0。5、实验完毕后，请逆时针地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。五、实验数据例1、霍耳电势差与磁感应强度B的关系霍耳传感器处于螺线管中央位置即X=17.0cm处表1测量霍耳电势差已放大为U 与螺线管通电电流Im关系Im/mA050100150200250300350400450500U/mV022.

10、244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0根据表1描绘霍耳电势差 U与螺线管通电电流Im的关系图250200差势电尔霍1501005000100200300400500600螺线管通电电流1/mA图4霍耳电势差U与螺线管通电电流Im关系图2、通电螺线管内磁感应强度分布测定螺线管的励磁电流Im=250mAU '1为螺线管通正向直流电流时测得集成霍耳传感器输出电压U；为螺线管通反向直流电流时测得集成霍耳传感器输出电压U '为U'1-U 2/2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2 螺线内

11、磁感应强度 B与位置刻度 X的关系B=U ' / KX/cmU 1 /mVU 2/mVU '/mVB/mT1.009.0-8.88.900.291.5012.5-12.412.450.412.0017.8-17.817.800.582.5025.7-25.625.650.843.0038.4-38.338.351.263.5054.6-54.554.551.794.0071.1-70.971.002.334.5084.5-84.484.452.775.0093.6-93.493.503.075.5098.9-98.698.753.246.00102.5-102.2102.353

12、.366.50104.8-104.5104.653.437.00106.3-105.9106.103.487.50107.3-106.9107.103.518.00108.0-107.6107.803.539.00108.9-108.4108.653.5610.00109.2-108.7108.953.5711.00108.9-108.4108.653.5612.00108.7-108.2108.453.5613.00109.2-108.6108.903.5714.00109.7-109.2109.453.5915.00110.2-109.5109.853.6016.00110.4-109.8

13、110.103.6117.00110.7-110.1110.403.6218.00110.7-110.1110.403.6219.00110.6-109.8110.203.6120.00110.6-109.9110.253.6121.00110.5-109.8110.153.6122.00110.2-109.4109.803.6023.00109.9-109.2109.553.5924.00109.7-108.9109.303.5824.50109.5-108.6109.053.5825.00109.1-108.2108.653.5625.50108.5-107.6108.053.5426.0

14、0107.6-106.6107.103.5126.50106.1-105.1105.603.4627.00103.6-102.7103.153.3827.5099.5-99.099.253.2528.0093.5-92.793.103.0528.5083.5-83.183.302.7329.0069.0-68.668.802.2629.5052.4-51.852.101.7130.0036.2-35.435.801.17根据表2描绘通电螺线管内磁感应强度分布图见图5所示。4.0Tmo度强应感磁510202530355 0 53 3 2o 521o 51o15位置X/cm图5 通电螺线管内磁感应

15、强度分布图实验结果:1研究霍耳效应由最小二乘法求出K = AU /也I m=0.4396V/A，相关系数r=0.99999。由于螺线管内磁感应强度B与通过螺线管I成正比，所以表1数据可以证明霍耳电势差U与磁感应强度 B成正比。2计算集成霍耳元件的灵敏度K：螺线管B中心=Im ,N=3000 匝，L=26.0cm.L2D2D =3.5cm 为螺线管的平均直径所以:，/ AU ' P L2 + D AU K=%N' 0.26020.0352K =二況 0.4396 =30.5V/T4：= ： 103000根据95A型集成霍耳元件产品说明书上注明，该传感器灵敏度31.3 ±

16、1.3V/T，现计算值 与说明书提供的技术指标相符。P P.40cmU P1=1.81mV由上面图5可知，在Xi=10.0cm 到X2=25.0cm内U=3.61mV,螺线管为均匀磁场区。在 ；P «29.40cm Up'=1.81mV, P- P =29.40-3.40=26.0cm ，这 说明磁场中心和几何中心偏离约 0.40cm ，实验结果符合螺线管磁场分布原理。六、思考题1、什么是霍耳效应？霍耳传感器在科研中有何用途？2、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？在绘制 BX 分布图时，如果出现上述情况，怎样求P 和 P' 点？3

17、、SS95A 型集成霍耳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？【附】 FD- ICH-II 新型螺线管磁场测定仪一、概述 用霍耳元件测量通电螺线管内的磁场分布是高校理工科物理实验教学大纲中的一个重要实验。 FD-ICH-II 新型螺线管磁场测定仪是在复旦大学物理实验教学中心的指导和帮助下， 设计的新型教学仪器，该仪器采用先进的集成线性霍耳元件测量通电螺线管内067mT 范围的弱磁场，解决了一般霍耳元件存在的灵敏度低，剩余电压干扰及螺线管温升引起输出不 稳定等缺乏，因而能精确测量通电螺线管磁场分布，了解和掌握集成线性霍耳元件测量磁场 的原理和方法以及学会

18、测量霍耳元件灵敏度的方法。考虑到教学实验仪器经久耐用的需要， 本仪器电源和传感器还有保护装置。本仪器物理内容丰富、结构设计合理、装置牢靠、直观 性强、数据稳定可靠，是高校物理实验的优质教学仪器。可用于高校、中专等学生的根底物 理实验及“传感器原理课程的传感器实验，以及课堂演示实验。二、用途主要用于高校物理实验，可做实验有：1、验证霍耳传感器输出电势差与螺线管内磁感应强度成正比。2、测量集成线性霍耳传感器的灵敏度。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。5、测量地磁场的水平分量。三、仪器外形连线图° FD

19、- ICH- II新型螺线管磁场测定仪一电源ON数字电流表mA数字电压表1O O1mV励磁恒流输出2.4V2.6V+ -曾 Q电压输入O4.8V-5.2V 产#上海复旦天欣科教,仪器 口'r|l集成霍耳元件位置读数V3厂V +1VOUT2-J®2DC 5.00V-67mT - +67mT2.500 ±).075V7mW31.3 ±1.3V/T图1 FD-ICH-II新型螺线管磁场测定仪四、技术性能1、95A型集成霍耳传感器工作电压：磁场测量范围：在0T时，零点电压：功耗在DC 5V时:灵敏度:< -1.0%线误差：温度误差，零点漂移：<

20、77;.06%/C本传感器内含激光修正的薄膜电阻，提供精确的灵敏度和温度补偿，不必考虑剩余电压影响。2、螺线管螺线管长度：26.0cm，螺线管内径2.5cm，外径4.5cm。螺线管层数：10层，螺线管匝数：3000 ±20匝。螺线管中央均匀磁场长度：>10.0cm。3、电源组和数字电压表数字恒流直流源：0 0.5A输出电流配三位半数字式表量程0 0.5A，分辨率1mA直流稳压电源95A型集成霍耳传感器工作电源 ：4.750V 5.250V精细微调直流稳压电源作补偿作用：2.400V 2.600V精细微调四位半数字电压表：0 19.999V，分辨率 1mV 和 0 1999.9mV，分辨率 0.1mV 两档五、使用说明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