DH4501N型亥姆霍茲線圈磁場實驗儀
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1、霍爾效應(yīng)和霍爾法測量磁場 DH4501N型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀 實 驗 講 義 杭州大華科教儀器研究所 杭州大華儀器制造有限公司 DH4501N型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀使用說明 儀器可用于霍爾效應(yīng)實驗,并且研究亥姆霍茲線圈的磁場分布規(guī)律。 儀器由信號源和測試架兩大部分組成。 一、DH4501N三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀信號源 儀器背部為220V交流電源插座和開關(guān),以及配DH4501N三維亥姆霍茲線 圈磁場實驗儀測試架的專用插座。 儀器面板為三大部分,見下圖(1) o 三DH4501N 8.8.88 8.8.Q.8. 1 mV mA
2、 ■ IE Is 片工養(yǎng) ■■開共 -反 Im ■■■■電? 圖仃)實驗儀面板圖 1、 勵磁電流5輸出:前面板右側(cè),三位半數(shù)顯電流表,顯示輸出電流值 Im(A),直流恒流輸出可調(diào),接到測試架的勵磁線圈,提供實驗用的勵磁電流。 2、 霍爾片工作電流Is輸出:前面板左側(cè),三位半數(shù)顯電流表,顯示輸出 電流值Is (mA),直流恒流輸出可調(diào),用于提供霍爾片的工作電流。 以上兩組直流恒源只能在規(guī)定的負載范圍內(nèi)恒流,與之配套的“測試架上 的負載符合要求。若要作它用時需注意。 提醒:只有在接通負載時,恒流源才有電流輸出,數(shù)顯表上才有相應(yīng)顯示。 3、 Vh、Vct測量輸入:
3、前面板中部,三位半數(shù)顯表顯示輸入值(mV),用 于測量霍爾片的霍爾電壓Vh及霍爾片長度L方向的電壓降V6使用前將兩輸 入端接線柱短路,用調(diào)零旋鈕調(diào)零。 # 提醒:Is霍爾片工作電流輸出端與Vh、Vb測最輸入端,連接測試架時, 與測試架上對應(yīng)的接線端子一一對應(yīng)連接(紅接線柱與紅接線柱相連,黑接線 柱與黑接線柱相連)。勵磁電流Im輸出端連接到測試架線圈時,可以選擇接單 個線圈與雙個線圈。接雙個線圈時,將兩線圈串聯(lián),即一個線圈的黑接線柱與 另一線圈的紅接線柱相連。另外兩端子接至實驗儀的5端。 4、 二個換向開關(guān) 分別對勵磁電流5,工作電流Is進行正反向換向控制。 5、 一個轉(zhuǎn)換開關(guān)
4、對霍爾片的霍爾電壓Vh與霍爾片長度L方向的電壓降VC則量進行轉(zhuǎn)換控 制。 二、DH4501N三維亥姆霍茲線圈磁場測試架 本測試架的特點是三維可靠調(diào)節(jié),見圖(2)o 1、亥姆霍茲線圈 兩個圓線圈(1)、(2)安裝于底板(3)上,其中圓線圈(1)固定,圓線 圈(2)可以沿底板移動,移動范圍為50?200111111; 松開圓線圈(2)底座上的緊固螺釘,就可以用雙手均勻地移動圓線圈(2), 從而改變了兩個圓線圈的位置,移到所需的位置后,再擰緊緊固螺釘。 勵磁電流通過圓線圈后面的插孔接入,可以做單個和雙個線圈的磁場分布。 圖(2) 三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀測試架 2、 三維可移動
5、裝置 滑塊(10)可以沿導(dǎo)軌(5)左右移動,用于改變霍爾元件X方向的位置。 移動時,用力要輕,速度不可過快,如果滑塊移動時阻力太大或松動,則應(yīng)適 當(dāng)調(diào)節(jié)滑塊上的螺釘(9)的緊度;左右移動不可沿前后方向即Y向用力,以 免改變Y向位置;必要時,可以鎖緊導(dǎo)軌(5)右端的緊定螺釘(13),防止改 變Y向位置。 輕推滑塊(10)沿導(dǎo)軌(6)均勻移動導(dǎo)軌(5),可改變霍爾元件Y方向 的位置;這時,導(dǎo)軌(5)右端的緊定螺釘(13)應(yīng)處于松開狀態(tài)。注意:這時 不可左右方向用力,以免改變霍爾元件的X向位置。 松開緊固螺釘(12),銅桿(8)可以沿導(dǎo)軌(7)上下移動,移到所需的位 置后,再擰緊緊固螺釘(12
6、),用于改變霍爾元件Z方向的位置。 裝置的XYZ向均配有位置標(biāo)尺,在三維測量磁場時,可以方便地測量空 間磁場的三維坐標(biāo)。 3、 霍爾元件 裝置采用優(yōu)質(zhì)確化稼霍爾元件,特點是靈敏度高,溫度漂移小,既可以做 霍爾效應(yīng)實驗,乂可作磁場分布實驗。 霍爾元件(4)安裝于銅管(8)的左前端,導(dǎo)線從銅管中引出,連接到測 試架后面板上的專用插座。 改變圓線圈(2)的位置進行磁場分布實驗時,為了讀數(shù)方便,應(yīng)該改變銅 管(8)的位置。松開緊固螺釘(11),移動銅管至R、2R或R/2的位置,對應(yīng) 于圓線圈(2)在R、2R或R/2的位置,這樣做的優(yōu)點是移動滑塊(10)時, X向的讀數(shù)是以0位置為對稱的。如果
7、不改變銅管(8)的位置,則應(yīng)對X向 位置讀數(shù)進行修正。 三、主要技術(shù)參數(shù) 1、 勵磁電流5輸出范圍:直流0?0.500A, 3位半數(shù)字表測量,調(diào)節(jié)細度: 1mA,負載電阻范圍:0?400。 2、 霍爾片工作電流Is輸出范【軋 直流0?5.00mA, 3位半數(shù)字表測量,調(diào) 節(jié)細度:10pA,負載電阻范圍:0?1KQ。 3、 Vh、Vct測量輸入范鬧 VH:直流0?19.99mV, 3位半數(shù)字表測量,分辨力1 OjlVo V6直流0-1999111V, 3位半數(shù)字表測量,分辨力lmVo 4、 亥姆霍茲線圈 線圈等效半徑:100mm,二線圈中心間距:50?200mm連續(xù)可
8、調(diào); 線圈匝數(shù):500匝(單個),線圈電阻:約140。 5、 霍爾元件 碑化稼霍爾元件,四端引出,靈敏度>140mV/(mA T) 霍爾片的厚度的d為0.2mm,寬度1為1.5mm,長度L為1.5mm。 6、 三維可移動裝置 X向移動距離200mm Y向移動距離70mm, Z向移動距離70mm。 四、 其他技術(shù)參數(shù) 1、 使用環(huán)境條件:環(huán)境溫度:0C?+40C,環(huán)境濕度:不大于80%(RH) 2、 電源:220V 10%, 50Hz交流供電,耗電小于60W 3、 整機質(zhì)量(重量):約15Kg 五、 注意事項及售后服務(wù) 1、 儀器使用前應(yīng)預(yù)熱10?15分鐘,并避免周圉有強
9、磁場源或磁性物質(zhì)。 2、 儀器采用分體式設(shè)計,使用時要正確接線,注意不要扯拉霍爾傳感器的 引出線!以防損壞。 3、 儀器采用三維移動設(shè)計,可移動的部件很多,一定要細心合理使用,不 可用力過大,以防影響使用壽命;銅管的機械強度有限!切不可受外力沖擊, 以防變形,影響使用。 4、 使用完畢后應(yīng)關(guān)閉電源。儀器的使用和存放應(yīng)注意清潔干凈;避免腐蝕 和陽光暴曬或強磁場環(huán)境下工作和存放。 5、 儀器從發(fā)貨之日起壹年內(nèi),由于儀器設(shè)計、制造過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問 題或者引起的故障,木公司負責(zé)免費維修。超過保修期,木公司仍提供良好的 售后服務(wù)。 實驗 II 言爾效應(yīng)實驗 霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的
10、電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。1879 年美國霍普金斯大學(xué)研究生霍爾在研究金屬導(dǎo)電機理時發(fā)現(xiàn)了這種電磁現(xiàn)象, 故稱霍爾效應(yīng)。后來曾有人利用霍爾效應(yīng)制成測量磁場的磁傳感器,但因金屬 的霍爾效應(yīng)太弱而未能得到實際應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體材料和制造工藝的發(fā)展,人 們又利用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到實用和發(fā)展, 現(xiàn)在廣泛用于非電量的測量、電動控制、電磁測量和計算裝置方面。在電流體 中的霍爾效應(yīng)也是目前在研究中的 “磁流體發(fā)電”的理論基礎(chǔ)。近年來,霍爾 6 效應(yīng)實驗不斷有新發(fā)現(xiàn)。1980年原西德物理學(xué)家馮?克利青研究二維電子氣系 統(tǒng)的輸運特性,在低溫和強磁場下發(fā)現(xiàn)
11、了量子霍爾效應(yīng),這是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域 最重要的發(fā)現(xiàn)之一。目前對量子霍爾效應(yīng)正在進行深入研究,并取得了重要應(yīng) 用,例如用于確定電阻的自然基準,可以極為精確地測量光譜精細結(jié)構(gòu)常數(shù)等。 在磁場、磁路等磁現(xiàn)象的研究和應(yīng)用中,霍爾效應(yīng)及其元件是不可缺少的, 利用它觀測磁場直觀、干擾小、靈敏度高、效果明顯。 [實驗?zāi)康模? 1、 霍爾效應(yīng)原理及霍爾元件有關(guān)參數(shù)的含義和作用 2、 測繪霍爾元件的Vh-Is, Vh-Im曲線,了解霍爾電勢差Vh與霍爾元件 工作電流Is,磁場應(yīng)強度B及勵磁電流和g之間的關(guān)系。 3、 學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B及磁場分布。 4、 學(xué)習(xí)用“對稱交換測量法”消除負效應(yīng)產(chǎn)生
12、的系統(tǒng)誤差。 [實驗儀器] DH4501N型三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀 一套 [實驗原理] 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)生正負電 荷在不同側(cè)的聚積,從而形成陽加的橫 向電場。如右圖1?1所示,磁場B位于 z的正向,與Z垂直的半導(dǎo)體薄片上沿 圖1?1 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負向運動。 由于洛侖茲力仇作用,電子即向圖中虛線箭頭所指的位于y軸負方向的B 側(cè)偏轉(zhuǎn),并使B側(cè)
13、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fe的作用。隨著 電荷積累的增加,fE增大,當(dāng)兩力大小相等(方向相反)時,f尸一fE,則電 子積累便達到動態(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所示的X負方向運動,在磁場B作用下, 所受洛侖茲力為: _ fL=-eVB 式中:e為電子電量,▽為電子漂移平均速度,B為磁感應(yīng)強度。 同時,電場作用于電子的力為: f e= — eEH = —eVk 1 式中:Eh為霍爾電場強度,Vh為霍爾電勢,1為霍爾元件寬度
14、。 當(dāng)達到動態(tài)平衡時: _ fL=-fE V B=Vh/1 (1-1) 設(shè)霍爾元件寬度為1,厚度為d,載流子濃度為1】,則霍爾元件的工作電流為: Is = neVld (1-2) 由(1-1). (1?2)兩式可得: Vh = EhI =丄咚=Rh 型 (1-3) ne d d 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)Rh=—稱為霍爾系數(shù)(嚴格來說,對于半導(dǎo)體材料,在弱 ne $ a 1 磁場下應(yīng)引入一個修正因子A=—,從而有Rh=——),它是反映材料霍爾 8 8 ne 效應(yīng)強弱的重要參數(shù),根據(jù)材料的電導(dǎo)率cr = ne/z
15、的關(guān)系,還可以得到:
Rh =/z/ 16、,因此不適宜作霍爾元 件。此外元件厚度d愈薄,Kh愈髙,所以制作時,往往采用減少d的辦法來增 加靈敏度,但不能認為cT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。本實驗采用的霍爾片的厚度的d為0.2mm,寬度1為 1.5mm,長度 L 為 1.5mm。
應(yīng)當(dāng)注意:當(dāng)磁感應(yīng)強度B和元件平面法線成一角度時(如圖1-2),作用 在元件上的有效磁場是其法線方向上的分量BcosO,此吋:
Vh = KhIsBcos0 (1-7)
所以一般在使用時應(yīng)調(diào)整元件兩平面方位,使Vh達到最大,即:0=0,
Vh = KhIsBcos 0 = KhIsB
由式(1-7)可知, 17、當(dāng)工作電流Is或磁感應(yīng)強度B,兩者之一改變方向時, 霍爾電勢%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。
— 11 —: niv) Vh
f I s },
圖1-3
霍爾元件測量磁場的基本電路如圖1-3,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)強度B垂盲,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。
[實驗項目]
1、 測量霍爾元件零位(不等位)電勢W及不等位電阻R0=V0/Is
2、 研究Vh與勵磁電流5,和工作電流Is之間的關(guān)系
3、 測量霍爾元件的霍爾靈敏度
[實驗方法與步驟]
一、實 18、驗儀信號源與三維亥姆霍茲線圈磁場測試架的連接。
1、將信號源面板右下方的勵磁電流5的直流恒流輸出端(0?0.500A), 接測試架上的勵磁線圈電流g的輸入端,注意止確的極性。信號源面板右側(cè)的 表頭顯示當(dāng)前勵磁電流的大小。做霍爾效應(yīng)實驗時,應(yīng)將兩個圓線圈串聯(lián),如 圓線圈(2)的正極接信號源正輸出端、負極接圓線圈(1)的正極,圓線圈(1) 的負極接信號源負輸出端。
2、測試架的銅管尾部的霍爾傳感器信號線測試架后面板上的專用四芯插 座。實驗儀Is霍爾片工作電流輸出端及Vh、Vb測量輸入端,連接測試架時, 與測試架上對應(yīng)的接線端子一一對應(yīng)連接,(紅接線柱與紅接線柱相連,黑接線 柱與黑接線柱相連。) 19、當(dāng)測量霍爾電壓Vh時,實驗儀與測試架的VH、V。測量 轉(zhuǎn)換開關(guān)都按至Vh測最位置,即此開關(guān)處于按下位置。
二、研究霍爾效應(yīng)與霍爾元件特性
進行測量前先進行以下調(diào)整:
將亥姆霍茲線圈的距離設(shè)為R,即100mm處;銅管位置至R處;
X向?qū)к墸?0)、Y向?qū)к墸?)、Z向?qū)к墸?)均置于0,并緊固相應(yīng)的 螺母,這樣使霍爾元件位于亥姆霍茲線圈中心。
1、 測量霍爾元件的零位(不等位)電勢V。和不等位電阻Rq
1) 用連接線將中間的霍爾電壓輸入端短接(或?qū)s、Im電流調(diào)節(jié)到0), 調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電壓表顯示O.OOmV;
2) 斷開勵磁電流Im (或?qū)m電流調(diào)節(jié)到0);
3) 調(diào)節(jié)霍爾 20、工作電流Is = 5.00mA,用Is換向開關(guān)改變霍爾工作電流輸入 方向,分別測岀零位霍爾電勢V(n、V02,并計算出不等位電阻:
Roi=$, Ro2=— (8)
【S 【S
2、 測量霍爾電壓Vh與工作電流Is的關(guān)系
1) 先將Is, IM都調(diào)節(jié)為零,調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電壓表顯示O.OOmV;
2) 調(diào)節(jié)IM =500mA,調(diào)節(jié)Is =1.00mA,按表中Is, 5正負情況切換Is, IM 的正負方向,分別測量霍爾電壓Vh值(Vi,V2, V3, V4)填入表(l-l)o
3) 以后Is每次遞增0.50mA,測量各V】,V2, V3, V4值。繪岀Is—VH曲 線,驗證線性關(guān)系。
21、
表1-1 Vh-Is關(guān)系測量表 IM =500mA
Is(mA)
Vi(mV)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
+Is 、Im
+Is、?Im
?Is、Im
■Is、Im
1.00
1.50
2.00
2.50
5.00
3、測量霍爾電壓Vh與勵磁電流Im的關(guān)系
1) 先將Is, IM都調(diào)節(jié)為零,調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕使電圧表顯示O.OOmV;再調(diào)節(jié) Is 調(diào)節(jié)至 5.OOiiiA;
2) 調(diào)節(jié)1滬100、150、200……5 22、00mA(間隔為50mA),分別測量霍爾電壓 Vh值填入表(1-2)中的值;
3) 根據(jù)表(1-2)中所測得的數(shù)據(jù),繪出Im-Vh曲線,驗證線性關(guān)系的范 圍,分析當(dāng)g達到一定值以后,Im—Vh直線斜率變化的原因。
表1?2 Vh-Im關(guān)系測量表 Is =5.00mA
ImQuA)
Vi(mV)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
+Is >Im
+Is、
-Is、Im
-Is、Im
100
150
200
250
500
4、計 23、算霍爾元件的霍爾靈敏度
當(dāng)勵磁電流5為0.5A時,本實驗采用的亥姆霍茲線圈的中心磁感應(yīng)強度
B為:
4zrx 10" x 500x 0.5
0.100
=2.25111T
11
#
當(dāng)B=Bo時,霍爾電壓為Vho,則根據(jù)公式Vk = KhIsBcos0=KhIsB,可
得到:
(1-9)
#
#
5、測量樣品的電導(dǎo)率。 樣品的電導(dǎo)率Q為:
(1-10)
IsL
C =
Void
式中Is是流過霍爾片的電流,單位是A, V。是霍爾片長度L方向的電壓
降,單位是V,長度L、寬度1和厚度d的單位為m,則o的單位為Se 24、nr1 (1S=1E)。
測量Vq前,先對毫伏表調(diào)零。且將實驗儀與測試架的V” V。測量轉(zhuǎn)換開 關(guān)都按至V。測量的位置,即此開關(guān)處于彈出位置。其中IM必須為0,或者斷 開hi連線。因為霍爾片的引線電阻(約數(shù)量級)相對于霍爾片的體電阻 (約700?900Q)來說很小,因此可以忽略不計。
將工作電流從最小開始調(diào)節(jié),用毫伏表測量V。值,由于毫伏表量程所限,
這時的Is較小。如需更大電壓量程,也可用外接數(shù)字電壓表測量。
[實驗系統(tǒng)誤差及其消除]
測最霍爾電勢Vh時,不可避免的會產(chǎn)生一些副效應(yīng),由此而產(chǎn)生的附加 電勢疊加在霍爾電勢上,形成測量系統(tǒng)誤差,這些副效應(yīng)有:
(I)不等位電勢V。
25、
由于制作時,兩個霍爾電勢既不可能絕對對稱的焊在霍爾片兩側(cè)(圖l?4a)、 霍爾片電阻率不均勻、控制電流極的端面接觸不良(圖l?4b)都可能造成A、 B兩極不處在同一等位面上,此時雖未加磁場,但A、B間存在電勢差V。,此 稱不等位電勢,VO=ISV, V是兩等位面間的電阻,由此可見,在V確定的情 況下,V。與Is的大小成正比,且其正負隨Is的方向而改變。
12
(2)愛廷豪森效應(yīng)
當(dāng)元件X方向通以工作電流Is,Z方向加磁場B時,由于霍爾片內(nèi)的載流 子速度服從統(tǒng)計分布,有快有慢。在到達動態(tài)平衡時,在磁場的作用下慢速快 速的載流子將在洛侖茲力和霍耳電場的共同作用下,沿y軸分別向相反的 26、兩側(cè) 偏轉(zhuǎn),這些載流子的動能將轉(zhuǎn)化為熱能,使兩側(cè)的溫升不同,因而造成y方向 上的兩側(cè)的溫差(Ta—Tb)。因為霍爾電極和元件兩者材料不同,電極和元件 之間形成溫差電偶,這一溫差在A、B間產(chǎn)生溫差電動勢Ve,Ve-IBo
這一效應(yīng)稱愛廷豪森效應(yīng),Ve的大小與正負符號與I、B的大小和方向有 關(guān),跟Vh與I、B的關(guān)系相同,所以不能在測量中消除。
(3)倫斯脫效應(yīng)
圖1?5 正電子運動平均速度(圖中V vV V” >▽) 由于控制電流的兩個電極與霍爾元件的接觸電阻不同,控制電流在兩電極 處將產(chǎn)生不冋的焦耳熱,引起兩電極間的溫差電動勢,此電動勢又產(chǎn)生溫差電 流(稱為熱電流)Q,熱電流在磁場作用 27、下將發(fā)生偏轉(zhuǎn),結(jié)果在y方向上產(chǎn)生 附加的電勢差Vh,且Vh^QB這一效應(yīng)稱為倫斯脫效應(yīng),由上式可知Vh的符 號只與B的方向有關(guān)。
(4)里紀一杜勒克效應(yīng)
如前節(jié)(3)所述霍爾元件在x方向有溫度梯度的dT/dX,引起載流子沿梯 度方向擴散而有熱電流Q通過元件,在此過程中載流子受Z方向的磁場B作用 下,在y方向引起類似愛廷豪森效應(yīng)的溫差Ta-Tb,由此產(chǎn)生的電勢差Vh* QB,其符號與B的方向有關(guān),與Is的方向無關(guān)。為了減少和消除以上效應(yīng)的 附加電勢差,利用這些附加電勢差與霍爾元件工作電流Is,磁場B (即相應(yīng)的 勵磁電流Im)的關(guān)系,采用對稱(交換)測量法進行測量。
當(dāng) +Is,
+Im 28、時
Vabi
=+Vh+Vo+Ve+Vn+Vr
當(dāng) +Is,
—Im時
VaB2
= —Vh+Vo—Ve+Vn+Vr
當(dāng)—Is,
—Im時
VaB3
= +Vh—V+Ve—Vn—Vr
當(dāng)一Is,
+Im時
VaB4
=—Vh—Vo—Ve—Vn—Vr
對以上四式作如下運算則得:
7(VAB1-VAB2+VAB3-VAB4)=VH + VE
4
可見,除愛廷豪森效應(yīng)以外的其他副效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差會全部消除,因愛 廷豪森效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢差Ve的符號和霍爾電勢Vh的符號,與Is及B的方向 關(guān)系相同,故無法消除,但在非大電流、非強磁場下,VQ>Ve,因而Ve可以 忽略不 29、計,由此可得:
“ “ “ y-V,4-V.-Vd
Vh?Vh+Ve= —1
4
[實驗注意事項]
1、 儀器使用前應(yīng)預(yù)熱10?15分鐘,并避免周圍有強磁場源或磁性物質(zhì)。
2、 儀器使用時要正確接線,注意不要扯拉霍爾傳感器的引出線!以防損壞。
3、 儀器釆用三維移動設(shè)計,可移動的部件很多,一定要細心合理使用,不 可用力過大,以防影響使用壽命;銅管的機械強度有限!切不可受外力沖擊, 以防變形,影響使用。
4、 霍爾電勢Vh測量的條件是霍爾元件半面與磁感應(yīng)強度B垂直,此時 VH=IsBcose=Is即Vh取得最大值,儀器在組裝時已調(diào)整好角度。為防止搬運, 使用中發(fā)生的位移,實驗前應(yīng) 30、檢查霍爾元件傳感器是否與圓線圈(1)垂直,如 杲不垂直,則應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。
5、 木實驗應(yīng)將亥姆霍茲線圈的距離設(shè)為R,即100mm處,銅管位置至R
處;否則會造成錯誤的實驗數(shù)據(jù)。
實驗二 霍爾法測量圓線圈和亥姆霍茲線圈的磁場
[實驗原理]
根據(jù)畢奧一廬伐爾定律,載流線圈在軸線(通過圓心并與線圈平面乖直的
直線上某點的磁應(yīng)強度為: .
2(R瞋嚴Z
(2-1)
15
式中I為通過線圈的電流強度,N為線圈的匝數(shù),R為線圈平均半徑,x 為圓心到該點的距離,po為真空磁導(dǎo)率。因此,圓心處的磁感應(yīng)強度Bo為:
(2-2)
軸線外的磁場分布計算公式較復(fù)雜,這里簡略。
亥姆霍 31、茲線圈是一對匝數(shù)和半徑相同的共軸平行放置的圓線圈,兩線圈間 的距離d正好等于圓形線圈的半徑Ro這種線圈的特點是能在其公共軸線中點 附近產(chǎn)生較廣的均勻磁場區(qū),故在生產(chǎn)和科研中有較大的實用價值,其磁場合 成示意圖如圖2?1所示。根據(jù)霍爾效應(yīng):探測頭置于磁場中,運動的電荷受洛 侖茲力,運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在偏向的一側(cè)會有電荷積累,這樣兩側(cè)就形成電
勢差.通過測電勢差就可知道其磁場的大小。當(dāng)兩通電線圈的通電電流方向一 樣時,線圈內(nèi)部形成的磁場方向也一致,這樣兩線圈之間的部分就形成均勻磁 場。當(dāng)探頭在磁場內(nèi)運動時其測量的數(shù)值幾乎不變。當(dāng)兩通電線圈電流方向不 同時在兩線圈中心的磁場應(yīng)為0。
圖2- 32、1亥姆霍茲線圈磁場分布圖
設(shè)Z為亥姆霍茲線圈中軸線上某點離中心點0處的距離,則亥姆霍茲線圈 軸線上任點的磁感應(yīng)強度為:
1 R R
B NIR2{[R? + (牙 + z)2r3/2 4- [R2 + (--Z)2r3/2} (2-3)
而在亥姆霍茲線圈軸線上中心O處磁感應(yīng)強度Bo為:
._ RoNI 8
比=r (2-4)
在I=0.5A、N=500、R=0.100in的實驗條件下,單個線圈圓心處的磁場強度 為:
禺=如 Z = 4兀x IO" x 500x 0.5/(2x 0.100) = 1.57mT 2R
當(dāng)兩圓線圈間的距離d正好等于圓形線圈的半徑R,組成亥姆霍茲線圈 33、時, 軸線上中心O處磁感應(yīng)強度Bo為:
“? zmNI 8 4^x10_7 x500x0.5 8 宀“〒
Bo = —x—3- = X—= 2.25mT
R 53/2 0.100 5%
當(dāng)兩圓線圈間的距離d不等于圓形線圈的半徑R時,軸線上中心O處磁感
1-
應(yīng)強度Bo按本實驗所述的公式(2-3)計算。在d=l/2R、R、2R時,相應(yīng)的曲 線見圖2?2。
?120 -100 ? 80 - 60 -40 - 20 0 20 40 60 80 W0 120 mm
圖2?2圓線圈間不同距離時軸線上的磁場分布圖
由于霍爾元件的靈敏度受溫度及其他因素的影響較大,所以實驗儀器提供 的靈敏度 34、僅供參考。根據(jù)實驗一的結(jié)果可以求得霍爾元件的實際靈敏度為:
其中Vho為I=O.5A、N=5OO、R=0.100m的實驗條件下,B0=2.25mT時的霍 爾電壓。
可以測量岀不同三維位置時的Vh值,這樣再根據(jù)公式
KhIs
Vh = KhIsBcos 0 = KhIsB 可矢II
(2-5)
從而求得不同三維位置的磁感應(yīng)強度Bo
[實驗?zāi)康模?
1、 測量單個通電圓線圈中磁感應(yīng)強度;
2、 測量亥姆霍茲線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度;
3、 測量兩個通電圓線圈不同間距時的線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度;
4、 測量通電圓線圈軸線外各點的磁感應(yīng)強度。
[實驗內(nèi)容]
在開機前 35、先將工作電流Is和勵磁電流Im調(diào)節(jié)到最小,即逆時針方向?qū)㈦娢?器調(diào)節(jié)到最小。以防沖擊電流將霍爾傳感器損壞。
一、測量單個通電圓線圈軸線上的磁感應(yīng)強度
測最前將亥姆霍茲線圈的距離設(shè)為R,即100mm處;銅管位置至R處;
Y向?qū)к墸?)、Z向?qū)к墸?)均置于0,并緊固相應(yīng)的螺母,這樣使霍爾 元件位于亥姆霍茲線圈軸線上。
1、測量單個通電圓線圈(1)中磁感應(yīng)強度。
用連接線將勵磁電流Im輸出端連接到圓線圈(1),霍爾傳感器的信號插頭 連接到測試架后面板的專用四芯插座。其它連接線一一對應(yīng)連接好。
開機,預(yù)熱10分鐘。用短接線將數(shù)顯毫伏表輸入端短接,或者調(diào)節(jié)Is、Im 電流均為零,再調(diào)節(jié)面板 36、上的調(diào)零電位器旋鈕,使毫伏表顯示為O.OOo
調(diào)節(jié)工作電流使Is=5.00mA,調(diào)節(jié)勵磁電流Im=0.5A,移動X向?qū)к墸?0), 測量單個圓線圈(1)通電時,軸線上的各點處的霍爾電壓,可以每隔10mm 測量一個數(shù)據(jù)。
將測量的數(shù)據(jù)記錄在表格2?1中,再根據(jù)公式(2?5)計算出各點的磁感應(yīng) 強度B,并繪出B(1)-X圖,即圓線圈軸線上B的分布圖。
將測得的圓線圈軸線上(X向)各點的磁感應(yīng)強度與理論公式(2?1)計算 的結(jié)果相比較。
以上測量Vh過程較為精確,對于僅進行磁場分布實驗來說,較為復(fù)雜,
在降低一定的精確性前提下,可以考慮以下簡便的方法實現(xiàn)Vh測量:
開機,預(yù)熱10分鐘后, 37、選擇Is、%、為正向。調(diào)節(jié)工作電流使Is=5.00mA, Im=0o再調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器旋鈕,使毫伏表顯示為O.OOo這樣做是消除 不等電勢對測量的影響,實測的數(shù)據(jù)表明,不等電勢在幾種副效應(yīng)中對測量的 結(jié)果影響最大。再調(diào)節(jié)勵磁電流Im=0.5A,測量單個圓線圈(1)通電時,軸線 上的各點處的霍爾電壓,可以每隔l.OOcin測量一個數(shù)據(jù)。
這種簡便的方法同樣適用于以下實驗。
表 2?1 B (1>—X Is =5.00mA IM =500mA
X (null)
Vi (111V)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
B(i) (ml)
+Is、g
+Is、
- 38、Is、
?Is、Im
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
2、測量單個通電圓線圈(2)軸線上磁感應(yīng)強度
用連接線將勵磁電流Im輸出端連接到圓線圈(2),其它連接線一一對應(yīng)連 接好。
移動X向?qū)к墸?0),測量單個圓線圈(2)通電時,軸線上的各點處的霍 爾電壓,可以每隔10m 39、m測量一個數(shù)據(jù)。
將測量的數(shù)據(jù)記錄在表格2?2中,再根據(jù)公式(2-5)計算出軸線上(X向) 各點的磁感應(yīng)強度B,并繪出Bc)-X圖,即圓線圈軸線上B的分布圖。
表 2-2 B(2) —X Is =5.00mA IM =500mA
X(nun)
Vi (111V)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
B(2)
(mT)
+Is、瓦I
+Is、?Im
-Is、
?Is、Jm
-40
?30
-20
-10
0
40、
10
20
30
40
二、測量亥姆霍茲線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度
測量前將亥姆霍茲線圈的距離設(shè)為R,即100mm處;銅管位置至R處;
Y向?qū)к墸?)、Z向?qū)к墸?)均置于0,并緊固相應(yīng)的螺母,這樣使霍爾 元件位于亥姆霍茲線圈軸線上。
用連接線將圓線圈(2)和(1)同向串聯(lián),連接到信號源勵磁電流g輸出 端。其它連接線一一對應(yīng)連接好。
用短接線將數(shù)顯毫伏表輸入端短接,或者調(diào)節(jié)Is、g電流均為零,再調(diào)節(jié) 面板上的調(diào)零電位器旋鈕,使毫伏農(nóng)顯示為O. 41、OOo
調(diào)節(jié)工作電流使Is=5.00mA,調(diào)節(jié)勵磁電流Im=0.5A,移動X向?qū)к墸?0) 測量亥姆霍茲線圈通電時,軸線上的各點處的霍爾電壓,可以每隔10mm測量 一個數(shù)據(jù)。
將測量的數(shù)據(jù)記錄在表格3?3中,再根據(jù)公式(2?5)計算出各點的磁感應(yīng) 強度B,并繪岀B(r>-X圖,即亥姆霍茲線圈軸線上B的分布圖。
將測得的亥姆霍茲線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度與理論公式(2-3)計算的 結(jié)果相比較。
表 3-3 B(R〉一X Is =5.00mA Im =500mA
X (mm)
Vi(mV)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
B (R)
(mT)
+Is 、Im
42、
+Is. -Im
?Is、
?Is、Im
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
四、比較和驗證磁場疊加的原理
將表2?1和表2?2的B B⑵值數(shù)據(jù)按X向的坐標(biāo)位置相加,得到B⑴
+B(2>o
將B⑴、B⑵、B(d+B(2>及表3?3的B數(shù)據(jù)繪制出B-X圖。
43、比較 B(i)+B <2)不口 B (R), 證明是否符合公式B⑴+B (2)= B (R)o
五、測量兩個通電圓線圈不同間距時的線圈軸線上各點的磁感應(yīng)強度
1、 調(diào)整圓線圈(2)與(1)的距離為50mm,銅管位置到“R/2”處。重 復(fù)以上實驗內(nèi)容二的過程,得到B(R/2)數(shù)據(jù),并繪制出B(R/2>-X圖。
2、 調(diào)整圓線圈(2)與(1)的距離為200mm,銅管位置到“2R”處。重 復(fù)以上實驗內(nèi)容二的過程,得到B(3R)數(shù)據(jù),并繪制出B(2R> -X圖。
3、 將繪制出B 44、電圓
線圈軸線外各點的磁感應(yīng)強度
1、測量亥姆霍茲線圈Y方向上B的分布
調(diào)整圓線圈(2)與(1)的距離為1 OOnmi,銅管位置到“R”處。X向?qū)?軌(10)、Z向?qū)к墸?)均置于0。
調(diào)節(jié)工作電流使Is=5.00mA,調(diào)節(jié)勵磁電流Im=0.5A,松開緊固螺釘(9 ), 雙手移動Y向?qū)к墸?),測量亥姆霍茲線圈通電時,Y向各點處的霍爾電壓, 可以每隔10mm測量一個數(shù)據(jù)。
根據(jù)公式(5)計算岀各點的磁感應(yīng)強度B,并繪出Bg — Y圖,即亥姆 霍茲線圈Y方向上B的分布圖。
2、測量亥姆霍茲線圈Z方向上B的分布
圓線圈(2)與(1)的距離、銅管位置及Is、Im不變,X向?qū)к墸?0 45、)、 Y向?qū)к墸?)均置于0。
松開緊固螺釘(12),輕移Z向?qū)к墸?),測量亥姆霍茲線圈通電時,Z向 各點處的霍爾電壓,可以每隔10mm測量一個數(shù)據(jù)。
根據(jù)公式(5)計算岀各點的磁感應(yīng)強度B,并繪出Bg — Z圖,即亥姆 霍茲線圈Z方向上B的分布圖。
3、測量通電線圈內(nèi)任意位置的B值
根據(jù)前述內(nèi)容,測量圓線圈(2)與(1)不同距離、任意點的未知B值 調(diào)節(jié)X、Y、Z向?qū)к?,使霍爾傳感器位于需要測量的位置,測出霍爾電 壓,即可求得磁感應(yīng)強度B。
注意:距離軸線較遠及亥姆霍茲線圈外側(cè)位置,由于霍爾元件與B并不完全垂直,存 在角度偏差,所以會引入測量誤差。
21
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