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实验8 霍尔效应法测量磁场A4.doc

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实验8 霍尔效应法测量磁场A4.doc
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山东大学实验报告 2009 年 11 月 24 日姓名 学院 班级 科目 电磁学实验 题目 霍尔效应法测量磁场 专业 组别 410 第 1 页 共 7 页 大学物理实验报告·韩进实验八 霍尔效应法测量磁场【实验目的】1.了解霍尔器件的工作特性。2.掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。3.用霍尔器件测量长直螺线管的磁 场分布。4.考查一对共轴线圈的磁耦合度。【实验仪器】长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。【实验原理】1.霍尔器件测量磁场的原理图 1 霍尔效应原理如图 1 所示,有-N 型半导体材料制成的霍尔传感器,长为 L,宽为 b,厚为 d,其四个 侧面各焊有一个电极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中,沿 3、4 两个侧面通以电流 I,则电子将沿负 I 方向以速度运动,此电子将受到垂直方向磁场 B 的洛仑兹力 作用,造成电子在半导体薄片的 1 测积累过量的负meFvB电荷,2 侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由 2 侧 指向 1 侧的电场 ,该电场对电子的作用力HE,与 反向,当两种力相平衡 时,便出现稳定状态,1、2 两侧面将建立起稳定的电压HFeEmev,此种效应为霍尔效应,由此而产生的电压叫霍尔电压 ,1、2 端输出的霍尔电压可由数显电压表测UHU量并显示出来。如果半导体中电流 I 是稳定而均匀的,可以推导出 满足:,HHIBRKIdmA× × × × × × ×××× × × × × × ××× × × × × × ×× × × × × × ××FmFHveEIEHUHdbL1234山东大学实验报告 2009 年 11 月 24 日姓名 学院 班级 科目 电磁学实验 题目 霍尔效应法测量磁场 专业 组别 410 第 2 页 共 7 页 大学物理实验报告·韩进式中, 为霍耳系数,通常定义 , 称为灵敏度。HR/HKRdH由 和 的定义可知,对于一 给定的霍耳传感器, 和 有唯一确定的值,在电流 I 不变的情况下,KK与 B 有一一对应关系。2.误差分析及改进措施由于系统误差中影响最大的是不等势电势差,下面介 绍一种方法可直接消除不等势电势差的影响,不用多次改 变 B、I 方向。如图 2 所示,将图 2 中电极 2 引线处焊上两个电极引线5、6,并在 5、6 间连接一可变电阻,其滑动端作为另一引出线2,将线路完全接通后,可以调节滑动触头 2,使数字电压表所测电压为零,这样就消除了 1、2 两引线间的不等势电势差,而且还可以测出不等势电势差的大小。本霍 尔效应测磁仪 的霍尔电压测量部分就采用了这种电路,使得整个 实验过程 变得较为容易操作,不过实验前要首先 进行霍尔输出电压的 调零,以消除霍尔器件的“ 不等位电势”。在测量过程中,如果操作不当,使霍尔元件与螺线管磁场不垂直,或霍尔元件中电流与磁场不垂直,也会引入系统误差。3.载流长直螺线管中的磁场从电磁学中我们知道,螺线管是 绕在圆柱面上的螺旋型线 圈。 对于密绕的螺线管来说,可以近似地看成是一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径 为 R、总长度为 L,单位长度的匝数为 n,并取螺线管的轴线为x 轴,其中心点 O 为坐标原点,则(1)对于无限长螺线管 或 的有限长螺线管,其轴线上的磁场是一个均匀磁场,且等于:L0BNI式中 ——真空磁导率; ——单位长度的线圈匝数; ——线圈的励磁电流。0N(2)对于半无限长螺线管的一端或有限长螺线管两端口的磁场为: 102BNI即端口处磁感应强度为中部磁感应强度的一半,两者情况如图 3 所示。UHI12345 6图 2山东大学实验报告 2009 年 11 月 24 日姓名 学院 班级 科目 电磁学实验 题目 霍尔效应法测量磁场 专业 组别 410 第 3 页 共 7 页 大学物理实验报告·韩进4.亥姆霍兹线圈及其耦合度两个匝数相等、间距等于其半径,并通以同向、等值电流的共轴线圈,叫亥姆霍兹线圈,如 图 4 所示。下面,我们来研究亥姆霍兹线 圈两圆心间轴线上的磁场。 设图 4 中每个线圈为 匝,两 线圈间距为 ,取Na线圈轴线上距两线圈等距离的点 为原点, 轴线为 轴,则在两线圈圆心 和 之间轴上任意一点 (其Ox1O2P坐标为 )到两线圈圆心的距离分别是 和 ,两 线圈在点产生的磁感应强度的大小分别是和:x2a
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