实验11利用霍尔效应测量螺线管磁场

实验11 利用霍尔效应测量螺线管磁场实验讲义
用霍尔传感器测量通电螺线管内励磁电流与输出霍尔电压之间关系，证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比；用通电长直通电螺线管轴线上磁感应强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的灵敏度，熟悉霍尔传感器的特性和应用；用该霍尔传感器测量通电螺线管内的磁感应强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置刻线的关系图，学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法.
【实验目的】
1． 了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理。

2． 学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。

【实验原理】
长直通电螺线管中心点磁感应强度理论值
根据电磁学毕奥－萨伐尔)Savat Biot (-定律，通电长直螺线管轴线上中心点的磁感应强 度为:： 2
2
M D
L I N B +∙∙μ=
中心 （1）
螺线管轴线上两个端面上的磁感应强度为： 22M D
L I N 21B 21B +∙∙μ∙==
中心端面
（2）
式中，μ为磁介质的磁导率，真空中的磁导率()A /m T 10470∙⨯π=μ-，N 为螺线管的总匝数，M I 为螺线管的励磁电流，L 为螺线管的长度，D 为螺线管的平均直径。

【实验仪器】
FB510型霍尔效应实验仪, FB510型霍尔效应组合测试仪
【实验内容】
1. 把FB510型霍尔效应实验仪与FB510型霍尔效应组合测试仪正确连接。

把励磁电流接
到螺线管M I 输入端。

按下实验项目转换按钮，使测量功能指向螺线管磁场测量。

响应的指示灯亮。

2. 把测量探头调节到螺线管轴线中心，即刻度尺读数为cm 0.13处，调节恒流源2,使
mA 00.4I S =，不按()S H V /V （即测H V ，依次调节励磁电流为,
mA 1000~0I M ±=每次改变mA 100±,测量霍尔电压，并证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。

3. 放置测量探头于螺线管轴线中心，即cm 0.13刻度处，固定励磁电流mA 1000±，调节
霍尔工作电流为：,mA 00.4~0I S ±=每次改变mA 50.0±，测量对应的霍尔电压H V ，证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。

4. 调节励磁电流为mA 500，调节霍尔电流为mA 00.4，测量螺线管轴线上刻度为
,cm 0.13~cm 0.0X =每次移动cm 1各位置对应的霍尔电势差。

(注意,根据仪器设计,
这时候对应的二维尺水平移动刻度读数为：cm 0.13处为螺线管轴线中心，cm 0.0处为螺线管轴线的端面，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的数值的刻度位置。

按给出的霍尔灵敏度作磁场分布X ~B 图。

5. 用螺线管中心点磁感应强度理论计算值，校准或测定霍尔传感器的灵敏度。

【实验方法和实验步骤】
继电器换向开关的使用说明：
单刀双向继电器的电原理如图1所示。

当继电器线包不加控制电压时，动触点与常闭端相连接；当继电器线包加上控制电压时，继电器吸合，动触点与常开端相连接。

实验架中，使用了三个双刀双向继电器组成三个换向开关，换向由接钮开关控制。

电原理图如图3所示。

当未按下按钮开关时，继电器线包不加电，常闭触点连接；按下按钮开关时，继电器吸合，常开触点相连接，实现连接线的转换。

由此，通过按下、释放按钮开关，实现继电器相连的电路的换向功能。

1． 放置测量探头于螺线管轴线中心，即8.5cm 刻度处，cm 0.0处为螺线管轴线的端面，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的数值的刻度位置。

调节霍尔元件工作电流为
mA 00.4I S ±=，调节励磁电流,mA 1000~0I M ±=，每次改变mA 100，依次把数据记录到相应的表格1中。

通过作图证明霍尔电势差H V 与励磁电流M I 成正比。

测量由下列四组不同方向的S I 和B 组合的A 'A V （'A 、A 两点的电位差）即：
S I ,B ++ 1A 'A V V = S I ,B +- 2A 'A V V = S I ,B -- 3A 'A V V = S I ,B -+ 4A 'A V V =
然后求1V 、2V 、3V 和4V 的代数平均值：
)mV (4
V V V V V 4
321H -+-=
表1
2． 放置测量探头于螺线管轴线中心，即8.5cm 刻度处，调节励磁电流mA 1000I M ±=，调节霍尔元件工作电流为0I S ±=、00.1±、00.2±、00.3±、00.4±，测量对应的霍尔输出电压，记录到表格2中，通过作图证明霍尔电势差H V 与霍尔电流S I 成正比。

表
2
3． 调节励磁电流mA 500I M ±=，调节霍尔电流为mA 00.4I S ±=，测量螺线管轴线上cm 0.13......cm 0.2 ,cm 0.1 ,cm 0.0X =，每次移动cm 1各位置对应的霍尔电势差，记录到表格3中，按给定的霍尔灵敏度作磁场分布X B -图，从图中找出磁感应强度等于螺线管轴线上中心值一半的位置。

与理论值比较，计算相对误差。

表3
4．通电螺线管轴线中央磁感应强度的理论值：
螺线管匝数为T 2550N =，长度m 26.0L =，平均直径m D 035.0=，励磁电流
A 500.0I M =，所以：=+⨯⨯⨯=
+∙∙=
-2
2
72
2
104Ｄ
ＬＩＮＭ
中心πμD
L I N B M
上述实验中，mV 92.5V , mA 00.5I H S == 由式（1）＝B I K V S H H ∙∙=
因此： =∙=
B
I V K S H
H 由此原理，经定标后，霍尔元件作为磁测量探头，能简便、直观、快速地测量磁场的磁感应强度，还可以用于如压力，位移、转速等非电量测量，特别是可作为乘法器，用于功率测量等创新应用性实验，具有宽广的应用空间。

【注意事项】
1. 注意实验中霍尔元件不等位效应的观测，设法消除其对测量结果的影响。

2. 励磁线圈不宜长时间通电，否则线圈发热，会影响测量结果。

3. 霍尔元件有一定的温度系数，为了减少其自身发热对测量影响，实验时工作电流不允许
超过其额定值mA 5。

为了延长霍尔元件的使用寿命，建议其工作电流取值范围为：
mA 00.4~0I S 。

【思考题】
1. 用简图示意，用霍尔效应法判断霍尔片是n 型、p 型的半导体材料？
2. 在利用霍尔效应测量磁场过程中，为什么要保持H I 的大小不变？
3. 如果螺线管在绕制中，单位长度的匝数不相同或绕制不均匀，在实验中会出现什么情
况？在绘制X ~B 分布图时，电磁学上的端面位置是否与螺线管几何端面重合？ 4. 霍尔效应在科研中有何应用，试举例说明？
指导教师：贾丽斯。