霍尔效应测磁场实验报告.docx
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霍尔效应测磁场实验报告
霍尔效应测磁场实验报告
实验报告
学生姓名:
学号:
指导教师:
实验地点:
实验时间:
一、实验室名称:
霍尔效应实验室
二、实验项目名称:
霍尔效应法测磁场
三、实验学时:
四、实验原理:
(一)霍耳效应现象
将一块半导体(或金属)薄片放在磁感应强度为B的磁场中,并让薄片平面与磁场方向(如Y方向)垂直。
如在薄片的横向(X方向)加一电流强度为
的电流,那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z方向将产生一电动势
。
如图1所示,这种现象称为霍耳效应,
称为霍耳电压。
霍耳发现,霍耳电压
与电流强度
和磁感应强度B成正比,与磁场方向薄片的厚度d反比,即
(1)
式中,比例系数R称为霍耳系数,对同一材料R
可改写为
该式与式
(1)和式
(2)一致,
就是霍耳系数。
五、实验目的:
研究通电螺线管内部磁场强度
六、实验内容:
(一)测量通电螺线管轴线上的磁场强度的分布情况,并与理论值相比较;
(二)研究通电螺线管内部磁场强度与励磁电流的关系。
七、实验器材:
霍耳效应测磁场装置,含集成霍耳器件、螺线管、稳压电源、数字毫伏表、直流毫安表等。
八、实验步骤及操作:
(一)研究通电螺线管轴线上的磁场分布。
要求工作电流
和励磁电流
都固定,并让
mA,逐点(约12-15个点)测试霍耳电压
,记下
和K的值,同时记录长直螺线管的长度和匝数等参数。
1.接线:
霍尔传感器的1、3脚为工作电流输入,分别接“IH输出”的正、负端;2、4脚为霍尔电压输出,分别接“VH输入”的正、负端。
螺线管左右接线柱(即“红”、“黑”)分别接励磁电流IM的“正”、“负”,这时磁场方向为左边N右边S。
2、测量时应将“输入选择”开关置于“VH”挡,将“电压表量程”选择按键开关置于“200”mV挡,霍尔工作电流IH调到5.00mA,霍尔传感器的灵敏度为:
245mV/mA/T。
3、螺线管励磁电流IM调到“0A”,记下毫伏表的读数
(此时励磁电流为0,霍尔工作电流
仍保持不变)。
4、再调输出电压调节钮使励磁电流为
。
5、将霍耳元件在螺管线轴线方向左右调节,读出霍耳元件在不同的位置时对应的毫伏表读数
,对应的霍耳电压
。
霍尔传感器标尺杆坐标x=0.0mm对准读数环时,表示霍尔传感器正好位于螺线管最左端,测量时在0.0mm左右应对称地多测几个数据,推荐的测量点为x=-30.0、-20.0、-12.0、-7.0、-3.0、0.0、3.0、7.0、12.0、20.0、40.0、75.0mm。
(开始电压变化快的时候位置取密一点,电压变化慢的时候位置取疏一点)。
6、为消除副效应,改变霍耳元件的工作电流方向和磁场方向测量对应的霍耳电压。
计算霍尔电压时,V1、V2、V3、V4方向的判断:
按步骤(4)的方向连线时,IM、IH换向开关置于“O”(即“+”)时对应于V1(+B、+IH),其余状态依次类推。
霍尔电压的计算公式是V=(V1-V2+V3-V4)÷4。
7、实验应以螺线管中心处(x≈75mm)的霍尔电压测量值与理论值进行比较。
测量B~IM关系时也应在螺线管中心处测量霍尔电压。
8、计算螺线管轴线上磁场的理论值应按照公式
(参见教材实验16,p.152公式3-16-6)计算,即
,计算各测量点的理论值,并绘出B理论~x曲线与B测量~x曲线,误差分析时分析两曲线不能吻合的原因。
如只计算螺线管中点和端面走向上的磁场强度,公式分别简化为
、
,分析这两点B理论与实测不能吻合的原因。
9、在坐标纸上绘制B~X曲线,分析螺线管内磁场的分布规律。
(二)研究励磁特性。
固定
和霍耳元件在轴线上的位置(如在螺线管中心),改变
,测量相应的
。
将霍耳元件调至螺线管中心处(x≈75mm),调稳压电源输出电压调节钮使励磁电流在0mA至600mA之间变化,每隔100mA测一次霍耳电压(注意副效应的消除)。
绘制
~B曲线,分析励磁电流与磁感应强度的关系。
九、实验数据及结果分析:
1、计算螺线管轴线上磁场强度的理论值B理:
实验仪器编号:
6,线圈匝数:
N=1535匝,线圈长度:
L=150.2mm,
线圈平均直径:
D=18.9mm,励磁电流:
I=0.500A,霍尔灵敏度K=245mV/mA/T
x=L/2=75.1mm时得到螺线管中心轴线上的磁场强度:
;
x=0或x=L时,得到螺线管两端轴线上的磁场强度:
;
同理,可以计算出轴线上其它各测量点的磁场强度。
2、螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差
B、IH
方向
x(mm)
零差
(mV)
-30.0
-20.0
-12.0
-7.0
-3.0
0.0
3.0
7.0
12.0
20.0
40.0
75.0
+B、+IH
0.3
-0.1
0.0
0.4
1.1
2.1
3.3
4.5
5.7
6.5
7.0
7.3
7.4
+B、-IH
-0.4
-0.8
-0.9
-1.4
-2.0
-3.1
-4.2
-5.4
-6.6
-7.3
-7.8
-8.0
-8.1
-B、-IH
-0.4
0.2
0.3
0.6
1.3
2.3
3.4
4.6
5.8
6.5
6.9
7.2
7.3
-B、+IH
0.3
-0.4
-0.5
-1.0
-1.7
-2.7
-3.9
-5.1
-6.3
-7.1
-7.6
-7.8
-8.0
V1(mV)
-0.4
-0.3
0.1
0.8
1.8
3.0
4.2
5.4
6.2
6.7
7.0
7.1
V2(mV)
-0.4
-0.5
-1.0
-1.6
-2.7
-3.8
-5.0
-6.2
-6.9
-7.4
-7.6
-7.7
V3(mV)
0.6
0.7
1.0
1.7
2.7
3.8
5.0
6.2
6.9
7.3
7.6
7.7
V4(mV)
-0.7
-0.8
-1.3
-2.0
-3.0
-4.2
-5.4
-6.6
-7.4
-7.9
-8.1
-8.3
VH(mV)
0.33
0.43
0.85
1.53
2.55
3.70
4.90
6.10
6.85
7.33
7.58
7.70
B(mT)
0.27
0.35
0.69
1.24
2.08
3.02
4.00
4.98
5.59
5.98
6.18
6.29
B理(mT)
0.14
0.30
0.68
1.29
2.23
3.20
4.18
5.11
5.73
6.11
6.32
6.37
B-B理(mT)
0.12
0.04
0.01
-0.05
-0.15
-0.18
-0.18
-0.14
-0.13
-0.13
-0.14
-0.09
相对误差
84.3%
14.6%
1.6%
-3.8%
-6.8%
-5.7%
-4.2%
-2.6%
-2.3%
-2.1%
-2.2%
-1.3%
3、不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度
零差(IM=0.000A时):
V01=0.3mV,V02=-0.4mV,V03=-0.4mV,V04=0.3mV
IM(A)
测量项目
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
V1(mV)
0.3
1.4
2.8
4.3
5.7
7.4
8.5
0.0
1.1
2.5
4.0
5.4
7.1
8.2
V2(mV)
-0.4
-1.5
-3.1
-4.6
-6.2
-8.1
-9.2
0.0
-1.1
-2.7
-4.2
-5.8
-7.7
-8.8
V3(mV)
-0.4
1.5
3.1
4.6
6.2
7.3
9.2
0.0
1.9
3.5
5.0
6.6
7.7
9.6
V4(mV)
0.3
-1.7
-3.3
-5.0
-6.6
-8.0
-10.0
0.0
-2.0
-3.6
-5.3
-6.9
-8.3
-10.3
VH(mV)
0.00
1.54
3.08
4.62
6.16
7.70
9.24
B(mT)
0.00
1.26
2.51
3.77
5.03
6.29
7.54
4、螺线管轴线上的磁场强度分布图(注:
理论曲线不是必作内容)
5、螺线管中点磁场强度随励磁电流的变化关系图
6、误差分析:
(只列出部分,其余略)
B理论~x曲线与B测量~x曲线,不能吻合的原因主要是:
(1)螺线管中部不吻合是由于霍尔灵敏度K存在系统误差,可以通过与实验数据比较进行修正。
(2)霍尔灵敏度K修正后,螺线管两端处的磁场强度的测量值一般偏低,原因是霍尔传感器标尺杆越往外拉,就越倾斜,由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器,检测到的霍尔电压就会下降。
(3)x=-30.0mm处磁场强度的测量值一般偏高,因为这里可能螺线管产生的磁场已经很弱,主要是地磁和其它干扰磁场引起检测到的霍尔电压增大。
十、实验结论:
1、在一个有限长通电螺线管内,当L>>R时,轴线上磁场在螺线管中部很大范围内近于均匀,在端面附近变化显著。
2、通电螺线管中心轴线上磁场强度与励磁电流成正比。
十一、总结及心得体会:
1、霍耳元件质脆、引线易断,实验时要注意不要碰触或振动霍耳元件。
2、霍耳元件的工作电流
有一额定值,超过额定值后会因发热而烧毁,实验时要注意实验室给出的额定值,一定不要超过。
3、螺线管励磁电流有一额定值,为避免过热和节约用电,在不测量时应立即断开电源。
4、消除负效应的影响要注意V1、V2、V3、V4的方向定义。
十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议:
霍耳元件在螺线管中移动时,与螺线管间有较大间隙,导致霍尔传感器标尺杆越往外拉,就越倾斜,由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器,检测到的霍尔电压就会下降,从而带来较大的误差。
可以考虑在霍尔传感器标尺杆拉出时,额外增加一个支架类的支撑装置,使其能沿轴线方向移动。
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