測螺線管磁場實驗報告研究報告

測螺線管磁場實驗報告研究報告實驗預(yù)習(xí)部分1：請同學(xué)們實驗前認(rèn)真閱讀，熟悉實驗儀器（本部分不用寫入實驗報告）儀器構(gòu)成及使用說明一、儀器介紹CF-0812組合式磁場綜合實驗儀由實驗測試臺、雙線圈、螺線管、通用磁學(xué)測試儀、通用直流電源以及測試線等組成。1、測試架圖1-1組合式磁場綜合實驗儀（測試架圖）1.雙線圈；

2.載物臺（上面繪制坐標(biāo)軸線）；

3，4雙線圈勵磁電源輸入接口；

5.霍爾元件；

6.立桿；

7.刻度尺；

8.傳感器桿（后端引出2組線，一組為傳感器工作電流Is，輸出端號碼管標(biāo)識為Input；一組為霍爾電勢VH輸出，輸出端號碼管標(biāo)識為Output）；

9.滑座；

10.導(dǎo)軌；

11.螺線管勵磁電源輸入接口；

12.螺線管；

13.霍爾工作電流IS輸入，號碼管標(biāo)有Input（紅正，黑負(fù)）；14.霍爾電勢VH輸出，號碼管標(biāo)有Output（紅正，黑負(fù)）；15.底座2、通用磁學(xué)測試儀（CF0802）

圖1-2通用磁學(xué)測試儀

面板圖

1.電壓或電流顯示窗口（霍爾元件工作電流或電壓指示）；

2.恒流源指示燈；3.恒壓源指示燈；4.調(diào)節(jié)旋鈕（左右旋轉(zhuǎn)用于減小或增加輸出；按下彈起按鈕用于恒流源或恒壓源最小步進(jìn)值選擇，按照顯示值的個、十、百、千位依次循環(huán)切換）；5.電源輸出插座（正極紅+，負(fù)極黑-，為霍爾元件或傳感器提供工作電源；對于此實驗，系統(tǒng)默認(rèn)為恒流輸出功能，為霍爾元件提供恒定的工作電流；輸出插座與霍爾元件的輸入端正負(fù)極對應(yīng)相連，霍爾元件測試線上對應(yīng)有input標(biāo)號，連線時請注意?。?；

6.霍爾電壓表（霍爾電勢表，200.00mV，2V和20V自動量程轉(zhuǎn)換）；7.量程指示燈mV；8.量程指示燈V；9.置零鍵（對某一測試值進(jìn)行置零，置零后指示燈亮，此時顯示值與實際值相差“置零值”；再次按置零鍵恢復(fù)正常測試，電壓輸入值等于顯示值）；10.電壓輸入插座（正極紅+，負(fù)極黑-；該輸入后用于測量霍爾元件的霍爾電勢VH，與霍爾元件的輸出端正負(fù)極對應(yīng)相連，霍爾元件測試線上對應(yīng)有output標(biāo)號，連線時請注意?。?。3、通用直流電源（CF0801）圖1-3

CF0801通用直流電源面板圖1.電壓顯示窗；

2，3.電壓粗調(diào)和細(xì)調(diào)指示燈；

4.電壓調(diào)節(jié)旋鈕（旋轉(zhuǎn)旋鈕增加或減小電壓輸出；按下彈起旋鈕用于粗調(diào)和細(xì)調(diào)切換）；

5.輸出指示燈（燈亮代表輸出狀態(tài)，燈滅代表無輸出）；6.電源輸出狀態(tài)切換按鈕；7.電流顯示窗；

8，9.電流粗調(diào)和細(xì)調(diào)指示燈；

10.電流調(diào)節(jié)旋鈕（旋轉(zhuǎn)旋鈕增加或減小電流輸出；按下彈起旋鈕用于粗調(diào)和細(xì)調(diào)切換）；11.電源輸出插座（正極紅+，負(fù)極黑-；輸出插座與螺線管或雙線圈相連，提供勵磁電流，產(chǎn)生測試磁場）。二、儀器使用注意事項（必讀）1.當(dāng)霍爾片與測試儀未連接好時，嚴(yán)禁開機(jī)加電，否則，極易使霍爾片遭受沖擊電流而使霍爾片損壞。2.霍爾片性脆易碎、電極易斷，嚴(yán)禁用手去觸摸，以免損壞！在需要調(diào)節(jié)霍爾片位置時，必須謹(jǐn)慎。3.通用磁學(xué)測試儀的電源“輸出”接實驗架上的霍爾元件的input輸入端子IS，紅黑對應(yīng)相連,提供霍爾元件的工作電流；通用磁學(xué)測試儀的電壓“輸入”接霍爾元件的output端子，用于測量霍爾元件的霍爾電勢VH，紅黑對應(yīng)相連；4.通用直流電源的“輸出”接雙線圈或螺線管，提供勵磁電流IM；決不允許將“IM輸出”接到霍爾元件“Is輸入”處，否則一旦通電，會損壞霍爾片！5.加電前必須保證通用磁學(xué)測試儀的霍爾工作電流輸出和通用直流電源的勵磁電流輸出均置零位，嚴(yán)防電流未調(diào)到零就開機(jī)。6.為了不使通電線圈過熱而受到損害，或影響測量精度，除在短時間內(nèi)讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，通過勵磁電流IM外，其余時間最好斷開勵磁電流。7.本儀器為開放式設(shè)計性實驗，關(guān)于設(shè)備的使用，請仔細(xì)閱讀儀器組成與使用說明部分。實驗預(yù)習(xí)部分2：實驗講義（本部分寫入實驗報告）霍爾效應(yīng)法測量螺線管磁場一、實驗?zāi)康?、了解螺線管磁場產(chǎn)生原理2、學(xué)習(xí)霍爾元件用于測量磁場的基本的知識。3、測量霍爾片的的VH-IS（霍爾電壓與工作電流關(guān)系）曲線和VH-IM（螺線管磁場分布）曲線。4、學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響（選做）二、實驗原理1、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講，是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫向電場。如圖2-1

圖2-1所示，磁場B位于Z的正向，與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿X正向通以電流Is（稱為工作電流），假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿著與電流Is相反的X負(fù)向運動。

由于洛侖茲力f

L作用，電子即向圖中虛線箭頭所指的位于y軸負(fù)方向的B側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使B側(cè)形成電子積累，而相對的A側(cè)形成正電荷積累。與此同時運動的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的反向電場力

f

E的作用。隨著電荷積累的增加，f

E增大，當(dāng)兩力大小相等（方向相反）時，

f

L=－f

E，則電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時在A、B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢差稱為霍爾電勢VH。設(shè)電子按均一速度，向圖示的X負(fù)方向運動，在磁場B作用下，所受洛侖茲力為：

f

L=－eB式中：e為電子電量，為電子漂移平均速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。同時，電場作用于電子的力為：f

El

式中：EH為霍爾電場強(qiáng)度，VH為霍爾電勢，l為霍爾元件寬度當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時:

f

L=－f

E

B=VH/l

（1）設(shè)霍爾元件寬度為，厚度為d，載流子濃度為n，則霍爾元件的工作電流為

（2）由(1)、(2)兩式可得：

（3）即霍爾電壓VH(A、B間電壓)與Is、B的乘積成正比，與霍爾元件的厚度成反比，比例系數(shù)

稱為霍爾系數(shù)（嚴(yán)格來說，對于半導(dǎo)體材料，在弱磁場下應(yīng)引入一個修正因子，從而有），它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，根據(jù)材料的電導(dǎo)率的關(guān)系，還可以得到：或

（4）式中：為載流子的遷移率，即單位電場下載流子的運動速度，一般電子遷移率大于空穴遷移率，因此制作霍爾元件時大多采用N型半導(dǎo)體材料。當(dāng)霍爾元件的材料和厚度確定時，設(shè)：

（5）將式（5）代入式（3）中得：

（6）式中：稱為元件的靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下的霍爾電勢大小，其單位是，一般要求愈大愈好。由于金屬的電子濃度很高，所以它的RH或KH，都不大，因此不適宜作霍爾元件。此外元件厚度d愈薄，KH愈高，所以制作時，往往采用減少d的辦法來增加靈敏度，但不能認(rèn)為d愈薄愈好，因為此時元件的輸入和輸出電阻將會增加，這對霍爾元件是不希望的。本實驗采用的雙線圈霍爾片的厚度d為0.2mm，寬度為2.5mm，長度L為3.5mm。螺線管霍爾片的厚度d為0.2mm，寬度為1.5mm，長度L為1.5mm。

應(yīng)當(dāng)注意：當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度時（如圖2-2），作用在元件上的有效磁場是其法線方向上的分量，此時：

所以一般在使用時應(yīng)調(diào)整元件兩平面方位，使VH達(dá)到最大，即：，這時有：（7）由式（7）可知，當(dāng)工作電流Is或磁感應(yīng)強(qiáng)度B，兩者之一改變方向時，霍爾電勢VH方向隨之改變；若兩者方向同時改變，則霍爾電勢VH極性不變。圖2-2圖2-3霍爾元件測量磁場的基本電路（如圖2-3），將霍爾元件置于待測磁場的相應(yīng)位置，并使元件平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直，在其控制端輸入恒定的工作電流Is，霍爾元件的霍爾電勢輸出端接毫伏表，測量霍爾電勢VH的值。2、畢奧-薩伐爾定律根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，對于長度為2L,匝數(shù)為N1,半徑為R的螺線管離開中心點x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為（12）其中，為真空磁導(dǎo)率；n=N1/2L，為單位長度的匝數(shù)，本實驗的螺線管的N1=1800匝。對于“無限長”螺線管,L》R，所以B=μnI對于“半無限長”螺線管,在端點處有X=L，且L》R，所以B=μnI/2三、實驗儀器的使用方法按儀器面板上的文字和符號提示將測試儀與測試架正確連接（圖1）。1、將通用直流電源輸出IM（0～1A）與測試架上螺線管電流輸入端連接起來。2、將測試架霍爾傳感器端子與通用磁學(xué)測試儀對應(yīng)相連；“測試儀”左下方供給霍爾元件工作電流IS，紅對紅，黑對黑；“測試儀”右下方測試霍爾電勢VH，紅對紅，黑對黑；霍爾元件工作電流輸入端子上標(biāo)有Input，霍爾電勢輸出端子上標(biāo)有Output。

圖1

霍爾效應(yīng)測定螺線管軸向磁場實驗連線圖注意：以上三組線千萬不能接錯，以免燒壞元件。四、實驗內(nèi)容1、霍爾電壓VH與工作電流Is關(guān)系的測量:測繪VH-IS曲線從實驗原理可知,霍爾電壓不但與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比,而且還與流過霍爾元件的電流成正比.為了得到較好的測量效果,在進(jìn)行螺線管磁場分布測量前,應(yīng)選取適合的工作電流。I、先將Is，IM都調(diào)零，按下霍爾電壓表下的“置零”鍵，使其顯示為0mV。II、將霍爾元件移至線圈中心，調(diào)節(jié)IM

=0.5A，并保持不變，Is取值為1.00-3.00mA，記錄VH值，記入表1中(反復(fù)三次)，然后繪制VH-Is曲線。表

1Is(mA)1.002.003.00V1(mV)V2(mV)V3(mV)2、螺線管磁場的測量:測繪VH-L曲線選定霍爾片工作電流3mA并保持值Is不變，螺線管線圈上施加0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A（即IM=0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A）條件下，測量霍爾元件處于螺線管軸線不同位置時的

VH-x曲線（測量從