霍尔仪器测磁感应强度.

实验3-22霍尔效应测磁感应强度

【实验简介】

德国物理学家霍尔（E.H.Hall）1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现，任何导体通以电流时，若存在垂直于电流方向的磁场，则导体内部产生与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应，它是一种磁电效应(磁能转换为电能)。二十世纪五十年代以来，由于半导体工艺的发展，先后制成了多种有显著霍尔效应的材料，这一效应的应用研究也随之发展起来。现在，霍尔效应已在测量技术、自动化技术、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用。在测量技术中，典型的应用是测量磁场，其特点是：①响应速度快，既能测稳恒磁场，也可测交流磁场，亦能测量脉宽为ms的脉冲磁场；②能在很小的空间体积(零点几立方毫米)和小气隙中测磁场，现在霍尔元件可以做到10mm2的大小；③测量范围大，可以从10T的强磁到

10-7T的弱磁；④可以同时利用多个霍尔元件探头，以便实现自动化测量和数据处理；⑤无接触、寿命长、成本低。

测量磁场方法不少，但其中以霍尔效应为机理的测磁方法因结构简单、体积小、测量速度快等优点而有着广泛的应用，本实验就是采用这种方法。通过本实验了解霍尔效应的物理原理，掌握用磁电传感器——霍尔元件测量磁场的基本方法，学习用异号法消除不等位电压产生的系统误差。了解UJ31型电位差计的结构，掌握其使用方法。

【预习操作要点】

1．霍尔效应测量磁场方法

霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑磁力的作用后发生偏转而产生的，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子不在迁移，这样就在霍尔片的上下两个平面间形成了恒定的电位差——霍尔电位差UH，实验测定

系数RH=1/ne称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，载流子浓度n越小,则RH越大，UH也越大，所以只有当半导体(n比金属的小得多)出现以后，霍尔效应的应用才得以发展。对于特定的霍尔元件，其厚度d确定，定义霍尔灵敏度KH=RH /d，KH与霍尔片的材料性质、几何尺寸有关，对于一定的霍尔片，其为常数。这样

上式是霍尔效应测磁场的基本理论依据，只要已知KH，用仪器测出I及UH，则可求出磁感应强度B。2．霍尔电压UH的测量

在对霍尔片上电压UH进行测量时，测量所得到的电压值包含了电热和温差电现象等因素带来的附加电压，这些附加电压中以不等位电压U0的影响最大，而其它影响在常温下较小，可忽略不计。所谓不等位电压，是指由于霍尔片本身不均匀、电极位置的不对称，导致电流引出端的电位不等。显然，不等位电压U0只与霍尔片的工作电流I有关，且随电流I的换向而换向，所以实际测得的电压U可以认为是霍尔电压UH与不等位电压U0的代数和。

为了消除不等位电压，实验中常采用异号测量法进行，即改变通过霍尔片的工作电流I的方向，将两次测量的电压值代数平均，也就是

时

时

可得

3．测量系统 测量系统如图4-22-4所示，霍尔电压螺线管磁场测量仪由霍尔元件P 、长螺线管及相应的开关组成。霍尔元件P 已置于长螺线管的中心轴线上，其平面与螺线管轴线垂直，工作电流和霍尔电压引线已分别接入各自的换向开关K 1和K 2。通电螺线管提供了一个与霍尔元件垂直的均匀磁场，其激磁电流引线已接入换向开关K 3。

霍尔元件的工作电流由甲电池经滑线变阻器分压后提供，其大小由毫安表测量。激磁电流由双路稳压电源的稳流端提供，其大小由安培表测量。

由于霍尔电压UH 只有几个毫伏，本实验用测量精度较高的UJ31型低电势直流电位差计测量，电位差计工作电源由双路稳压电源的稳压端提供，电压应调节在5.7～6.4V 之间；在其电流计端子上接入一复射式灵敏电流计。

由于霍尔效应应用的发展，霍尔元件也已制成产品，每个霍尔元件均注明有材料类型、KH （mV/mA ·T ）值、最大工作电流、电阻、几何尺寸等参数。一般霍尔元件是长方形，长的方向为工作电流端，宽的方向为霍尔

电压测试端。实验所用霍尔元件的KH值由实验室给出。

4．了解UJ31型低电势直流电位差计原理，掌握其使用方法

UJ31型低电势直流电位差计的测量精度较高(0.05级),其结构和原理如图4-22-5所示。

（1）构成部分

从面板图可以看出,电位差计主要由六部分组成:①工作电流调节部分（RP1、RP2、RP3）；②标准电池定标补偿部分（RNP）；③测量回路部分（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）；④量程变换开关（K1¢）；⑤测量转换开关（K2¢）；

⑥电键按钮（粗、细、短路）及接线端钮。

（2）测量范围

测量范围分为两档，当K1¢置于×1档时，测量范围为0～17.1毫伏，最小分度是0.1微伏（游标读数）；当K1¢置于×10档时，测量范围为0～171毫伏，最小分度是1微伏（游标读数）。

（3）工作原理

为了测量很小的电位差，并便于定标和测量，定标补偿回路和测量补偿回路分开，从图4-22-5的原理图可以看出，其结构由三个回路构成。

①定标补偿回路A

这一回路用来确定电位差计的工作电流。把转换开关K2¢置在标准位置，则回路A接通，其中标准电阻RNP 由一个阻值为101.75W（各电位差计有所差别）的固定电阻RS和十几个0.01W的电阻RS¢组成，置RNP等于标准电池ES的值（若ES=1.0186V，则RS+ RS¢=101.86W），调节电阻RP，使灵敏电流计指零，则电位差计达到所需的工作电流（10mA），定标工作完成。

②测量补偿回路B

这一回路用来测量未知电动势，可以同时测量两个不同的电动势，便于往复地对两组未知量进行测量和比较。转换开关K2¢置于未知1（或未知2）位置，调节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个旋钮，使电流计指零，三个旋钮的读数和就是待测电动势的值。

③工作主回路C

此回路提供电位差计的工作电流，电阻RP用以调节回路的电流，当工作电源电压小于5.7伏或大于6.4伏时，无论如何调节RP均不能使电位差计的工作电流达到10mA。电键按钮“粗”、“细”、“短路”都与灵敏电流计相连。“短路”按钮按下时，灵敏电流计两端短路，是完全过阻尼状态，在电磁阻力的作用下，可以使摆动的灵敏电流计光标迅速回到零点。“粗”按钮按下时，给灵敏电流计串联一个电阻，起保护作用。“细”按钮按下，保护电阻被短路，直接进行细调。

注意：不测量时应将K2¢置于“断”的位置，尤其不应长时间放在“标准”位置。

【实验仪器】

UJ31型低电势直流电位差计，复射式灵敏电流计，稳流稳压双路电源，滑线变阻器，直流输出电源，标准电池，毫安表，安培表，霍尔电压螺线管磁场测量仪。

【分析思考】

1．上述测量磁场公式是在磁场B垂直霍尔元件表面时得到的，实验中该条件必须满足，能否用实验的方法判断垂直?

2．根据电磁感应原理分析，改变螺线管激磁电流方向时，如何操作才能避免产生较大的自感电动势?