大学物理实验用霍尔法测直流线圆圈与亥姆霍兹线圈磁场.docx
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大学物理实验用霍尔法测直流线圆圈与亥姆霍兹线圈磁场
大学物理实验用霍尔法测直流线圆圈与亥姆霍兹线圈磁场
用霍尔法测直流线圆圈与亥姆霍兹线圈磁场
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,而且比导体强得多。
随着半导体物理学的迅猛发展,霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。
由高电子迁移率的半导体制成的霍尔传感器已广泛用于磁场测量。
近些年霍尔效应实验不断有新发现。
1980德国的冯·克利青、多尔达和派波尔发现了量子霍尔效应,它不仅可作为一种新型的二维电阻标准,还可改进一些基本常量的测量精度,是当代凝集态物理学和磁学中最惊异的进展之一。
克利青教授也应此项发现荣获1985年的诺贝尔物理学奖金。
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,电功率测量仪等。
在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量,测量磁场的方法有不少,如冲击电流计法、霍耳效应法、核磁共振法、天平法、电磁感法等等,本实验介绍“霍尔效应法测磁场的方法,它具有测量原理简单,测量方法简便及测试灵敏度较高等优点。
【实验目的】
1.了解用霍尔效应法测量磁场的原理,掌握FB511型磁场实验仪的使刚方法。
2.了解载流圆线圈的径向磁场分布情况。
3.测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈的轴线上的磁场分布。
4.两平行线圈的间距改变为d=R/2和d=2R时,测定其轴线上的磁场分布。
【实验原理】
1.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场
(1)载流圆线圈磁场
一半径通以直流电流I的圆线圈,其轴线上磁场强度的表达式为:
(1)
式中
为圆线圈的匝数,x为轴上某一点到圆心
的距离,
H/m,磁场分布图如图1所示。
厚度为d,通过样品电流,
,则空穴的速度
代入(3)式有:
(4)
上式两边各乘以∞,便得到:
(5)
其中
上称为霍尔系数,在应用中一般写成:
(6)
比例系数
称为霍尔元件的灵敏度,单位为mV/(
)。
一般要求
愈大愈好。
与载流子浓度p成反比,、半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小,所以都用半导体材料作为霍尔元件,
与材料片厚d成反比,为了增大
值,霍尔元件都做得很薄,一般只有0.2mm厚。
由式(5)可以看山,知道了霍尔片的灵敏度
,只要分别测出霍尔电流
及霍尔电势差
就可以算出磁场B的大小,这就是霍尔效应测量磁场的原理。
图 3
【实验仪器】
FB5ll型霍尔法亥姆霍兹线圈磁场实验仪。
【实验内容】
1.测量圆电流圈轴线上磁场的分布:
把FB511型磁场实验测试仪与测试架止确连接。
把集成霍尔传感器探头放入磁场测试架圆电流线圈中心点,即X=0处,注意霍尔片平面与线圈轴线垂直,调节FB5ll型磁场实验仪的输出功率,使励磁电流I=0.000A,在线圈磁场强度等丁零的条件下,调节微特斯拉计指示值为零(目的是消除地磁场和其他杂散干扰磁场及不平衡电势的影响),这样微特斯拉计就校准好了。
接着调节FB511型磁场实验仪的输出功率,使励磁电流I=0.400A,以圆电流线圈中心为坐标原点,每隔1.0cm测一个B值,测量过程中注意保持励磁电流值不变,并保证探头方向与圆电流线圈轴线夹角为0°。
把测试数据记录到表l中。
在方格纸上画出B-X曲线。
2.测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布。
把磁场实验测试架的两组线圈间距调节到d=R,再把两个圆电流线圈按串联连接起来(注意极性不要接反),接到磁场测试仪的输出端钮。
调节磁场测试仪的输出功率,使励磁电流值为I=0.400A。
以两个圆线圈中心连线上的中点为坐标原点,每隔1.0cm测一个B值,把测试数据记录到表2中。
在方格纸上画山B—X曲线。
3.把上述两个圆电流线圈的间距分别调到d=R/2,和d=2R,重复步骤2,并将测量数据记录到表3,在同一方格纸上画出B—X曲线。
4.测量圆电流线圈沿径向的磁场分布。
按实验内容2的要求,固定探头方向与圆电流轴线D的夹角为0°,径向移动探头,每移动1.0cm测量一个数据,按一个方向测到边缘为止,记录数据并作出磁场分布B—X曲线图。
【实验数据】
1.圆电流线圈轴线上的磁场分布的测量数据记录(坐标原点设在圆心处,要求列表记录,表格中包括测试点的位置,数字式微特斯拉计读数B值,并在表格中表示出各测点对应的理论值),在同一坐标纸上画出实验曲线与理论曲线。
见表1
表 1 圆电流线圈轴线上磁场分布的数据记录
轴向上的距离X(10
)
0.0
1.0
2.0
3.0
…….
1.0
磁感应强度B(
)
(
)
相对误差 %
2.亥姆霍兹线圈轴线的磁场分布的测量数据记录(令两线圈圆心连线中心为坐标原点),在方格坐标纸上画出实验曲线。
见表2
表 2 亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布数据记录
轴向上的距离X(10
)
-10.0
-9.00
…….
8.00
9.00
10.00
磁感应强度B(
)
3.、改变两个线圈间距为d=1/2R和d=2R,测量轴线上的磁场分布的数据记录(令两线圈圆心连线中点为坐标原点),在方格坐标纸上画出实验曲线,见表3
轴向上的距离X(10
)
-10.0
-9.00
…….
8.00
9.00
10.0
B(
) d=R/2
B(
)d=2R
4.测量亥姆霍兹线圈径线上磁场分布。
见表4
表 3 亥姆霍兹线圈径向磁场分布数据记录
径向上的距离X(10
)
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
4.5
磁感应强度B(
)
【预习思考题】
1、为什么在直流磁场测量时,必须考虑地磁场对被测磁场的影响。
2、圆电流线圈轴线上磁场的分布规律如何?
3、亥姆霍兹线圈是怎样组成的?
其基本条件在哪些?
它的磁场分布特点又是怎样?
改变两圆线圈间距后,线圈轴线上的磁场分布情况如何?
4、霍尔元件放入磁场时,不同方向上微特斯拉计指示值不同,哪个方向最大?
5、试分析圆电流线圈磁场分布的理论值与实验值的误差的产生原因?
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