螺线管磁场的

1、实验十四 螺线管磁场的测量 随着科学技术的发展，由高电子迁移率的半导体制成的霍耳传感器已广泛应用于磁场测量，它测量灵敏度高，体积小，易于在磁场中移动和定位，本实验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；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；并介绍了集成霍耳传感器的组成和特性。【实验目的】1. 掌握用集成霍耳元件测量磁感应强度的原理和方法。2. 熟悉集成霍耳传感器的特性和应用。 3. 测量通电螺线管内的磁感应强度与位置刻度之间的关系，作出磁感应强度与位置的关系图。【实验仪器】 螺线

2、管磁场测定实验仪器如图l所示，它由带有集成霍耳传感器探测棒的螺线管、直流稳流电源(0mA500rnA)、直流稳压电源(输出两挡：48V52V和24V26V)、数字电压表(测量范围两挡：0V20V和0mV20mV)、单刀换向开关S1、双刀换向开关S2以及导线若干等组成。 图14-1 霍耳传感器螺线管磁场测定实验仪【实验原理】霍耳传感器是利用霍耳效应制成的传感器。霍耳效应的作用如图2所示。若电流I流过厚度为d的半导体薄片，且磁场B垂直作用于该半导体，则电子流方向由于洛伦兹力作用而发生改变，在薄片两个横向面a、b之间应产生电势差，这种电势差称为霍耳电势差，通常用表示。霍耳效应的数学表示式为 (14-

3、1)式中：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；B为磁感应强度； I为流过霍耳元件的电流；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(B=0)时，=0，但是实际情况用数字电图14-2霍耳效应压表测并不为零，这是由于半导体材料结晶不均匀、各电极不对称等引起附加电势差，该电势差称为剩余电压。随着科技的发展，新的集成霍耳元件不断被研制成功。本实验采用的SS95A型集成霍耳传感器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器组成。测量时输出信号大，并且剩余电压的影响已被消除。一般的霍耳元件有4根引线，两根为输入霍耳元件电流的“电流输入端”，接在可

4、调的电源回路内，另两根为霍耳元件的“霍耳电压输出端”，接到数字电压表上。对SS95A型集成霍耳传感器而言，它只有3根引线，分别是“”、“”、“0”。其中“”和“”构成“电流输入端”，“0”和“”构成“电压输出端”。本实验所用实验装置在设计安装时，由于使用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，必须是处在该标准状态。在实验时，只要在磁感应强度为零(零磁场)的条件下，调节“、”所接的电源电压，使输出电压为2.500V，则传感器就可处在标准工作状态之下。当螺线管内有磁场且集成霍耳传感器在标准工作电流时，输出电压U与磁感应强度 B的关系为 (14-2)式中：U

5、为集成霍耳传感器的输出电压(V)；K为该传感器的灵敏度(V/T)；U为用2.500V外接电压补偿以后，由数字电压表测出的传感器输出电压值。 【实验步骤与要求】1. 将实验装置按图1接线，两开关Sl、S2均置于断开状态。2. 在集成霍耳传感器处于零磁场条件下，把开关Sl指向1，调节4.8V5.2V电源的电压输出，使数字电压表上显示的“0和”的电压指示值为2.500V，这时集成霍耳元件便达到了标准工作状态，即霍耳传感器的霍耳元件通过电流达到规定的数值。3. 在保持和电压不变的情况下，把开关S1指向2，调节2.4V2.6V电源输出电压，数字电压表指示值为O(这时应将数字电压表量程开关指向mV挡)，也

6、就是用一个外接2.500V的电压与传感器输出2.500V电压进行补偿，这样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 。将传感器处于螺线管的中央位置，合上S2，改变输入螺线管的直流电流,测量关系，记录10组数据，范围在0mA500mA，可每隔50mA测一次(改变S2方向各测一次，绝对值求平均)。用最小二乘法求出直线的斜率和相关系数。利用长直螺线管磁场的理论公式算出B，从而求出霍耳传感器的灵敏度为说明：由于实验中所用螺线管参数不是无限长，因此需用公式：进行计算，即 = (V/T)式中：L为螺线管的长度；为其平均直径；N是线圈的匝数。5. 测量通电螺线管中的磁

7、场分布。在螺线管中电流恒定(例如300mA)的条件下，移动传感器在螺线管轴线上的位置X，测量关系(S2反向，求平均)。范围为030cm，两端的测量数据点应比中心位置附近的测量数据点密一些(为什么?)。 利用上面所测得的传感器灵敏度K计算关系，并作出分布图。 设磁场变化小于1的范围为均匀区，计算并在图上标出均匀区的磁感应强度平均值及均匀区范围(包括位置与长度)。并与实验室提供的资料上标有均匀区进行比较。 一般定义在磁感应强度下降为中心位置处磁感应强度的一半处，为螺线管的“边界点”，记为P和P，即。在图上标出P与P点处的位置坐标，量出P与P点的距离，并与螺线管的长度L作比较。【注意事项】1. 常检查=0时，传感器输出电压是否为2.500 V ?2. 用mV挡读U之值。当=0时，检查mV挡指示是否为0 ?3. 实验完毕后，请逆时针地旋转仪器上3个灰色旋钮，使恢复到起始的位置。【预习思考题】1. 什么是霍耳效应? 为什么霍耳元件用半导体材料制成，而不用金属材料？2. 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变大时，对其灵敏度有何影响?3. 写出长为，直径为，匝数为的螺线管通以电流时，其轴线上磁场分布的表达式。并说明其轴线中点和端点磁感强