DH4512型霍尔效应实验仪的参数标定

第30卷第2期2017年4月

大学物理实验

PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE

Y〇1.30No.2

Apr.2017

文章编号：1007-2934(2017)02-0021-04

DH4512型霍尔效应实验仪的参数标定

曹洪

(重庆交通大学，重庆400074)

摘 要：针对实验教学中存在的问题，在给定霍尔灵敏度的情况下，标定了霍尔电流（1J和励磁电 流(/M)，并测量了不同情况下的磁场误差。研究表明：磁场稳定位置％= 0 mm左右且KH= 169 mY/mA 时，其/s和/M选取1mA和100 mA时，误差最小，较为准确，该结论可用于大学物理实验教学。

关键词：位置;霍尔电流;励磁电流;磁场

中图分类号：04-34 文献标志码：A D〇l:10.14139/22-1228.2017.002.006

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场的相互

作用产生电动势的过程，1879年霍尔发现了这种

电磁现象，故称作霍尔效应。由于金属的霍尔效

应较弱和等离子体霍尔器材耗费较高，常采用半

导体材料制成霍尔元件，由于其具有灵敏度高、线

性度好、稳定性高、体积小和耐温等特性广泛的应

用于非电量测量、电动控制、电磁测量和计算装置

方面，而且霍尔效应也是磁流体发电的理论基

础[1-3]。同时，利用霍尔元件元件测量长直螺线

管的内部磁场分布情况也高校物理实验的必修实

验。通过测量长直螺线管的磁场分布可以将电磁 理论和实验相结合，从而加深学生对电磁理论的 理解[4]。由于各个学校使用仪器规格型号和参 数都不一样，本文针对本校使用的DH4512型霍 尔实验仪进行了研究，在规定的霍尔灵敏度下，对 励磁电流和霍尔电流做了精确的分析，所得结果 可用于大学生物理实验教学。

1霍尔效应的实验原理

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁 场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的现象。它的 基本原理可概述如下:把一块宽为6,厚为^的半导体薄片置于磁场中（图1)，并通入纵向电流，如果半导体内的载流子电荷为e，平均迁移速度 为〃，则载流子在磁场中受到的洛伦兹力，其大 小为

在^的作用下，电荷将在两边堆积形成一横 向电场'电场对载流子产生一个和^相反的静电力^，其大小为心，^对电荷堆积起阻碍作用，最终达到平衡时，有仄=^，则= E e = e ^#/6,则^= ^他，由于电流h和载流子存在 一定关系，满足= "erM，则^=1,/ "e^，可令1/“ =[好，则

B= U h/K h I s

公式中尺#为霍尔片的灵敏度。如果测量出 来U h、K h和I s，就可以算出磁感应强度B。

2数据处理及理论分析

本校采用的是杭州大华仪器的DH4512系列 实验仪，该仪器采用单螺线管产生磁场，可利用霍 尔片计算仪器的磁场。DH4512系列实验仪将霍 尔片接到细杆上且位置位于螺线管轴线上，细杆

收稿日期：

2016-11-07

22DH4512型霍尔效应实验仪的参数标定

上标有刻度，通过控制细杆可准确读出细杆进入 螺线管的位置。细杆上刻度从-110〜110 mm，标 定的110 mm在线圈外约20 mm处，0 mm位置约 在螺线管中心位置。同时霍尔元件接入回路，可 控制输出霍尔电流值并霍尔效应下霍尔片两端的电压值^。由于仪器出厂规格霍尔灵敏度 为心=169mV/mA •T，这个值所对应的霍尔电 流和螺线管上的励磁电流未知.其中的测量范围为0〜3.5 mA，/M的测量范围为100〜500 mA.为了验证在霍尔灵敏度为尺#=169 mV/mA •T下 磁场强度最为精确的15和^。现做了以下对比 实验：

1. 在给定和/M的情况下确定霍尔片进入 螺线管的磁场稳定位置％mm。

2. 在稳定位置，给定值，测量磁场随/M的变化情况。

3. 不同/M值和不同值下磁场强度的变并与磁场理论值[5]B0= p0n/M对照，求出最佳

和/M值，供学生在大学物理实验中使用。

1.1霍尔片进入磁场位置确定

为了确定螺线管内部磁场的稳定区间，在给 定4= 100爪人和八=1爪人时，测量不同％下，其 磁场强度大小（表1)，同时学生实验发现这两个 值变化，对磁场分布影响不大。

表1不同霍尔片位置和B的大小

x/ m m11090705030100-10-30-50-70-90-110 U H/mV00.060.140.170.170.180.180.180.170.170.150.090.01 5/T00.000 360.000 830.000 940.001 010.001 070.001 070.001 070.001 010.001010.000 890.000 530.000 59

由于中部分位置数据比较接近，表格1中只 选取了部分数据，其真实数据可绘制曲线，如图2.

结合表1和图2可以看出-50 mm到50 m m 之间的电压值和磁场变化较小，电压值变化仅为 0.01 mV，磁场变化仅为0.000 1T，故可以在这个 区间内任意选取一个值来做分析。

1.2不同励磁电流/M对磁场的影响

为了进一步探究DH4512系列实验仪中/M 变化对磁场的影响，根据2.1所得结论可固定霍 尔片位置在细杆Z= 0 mm处，令1s= 1m A时，变 化/M，测量霍尔电压％值，根据公式B

求出B值，同时根据B0=p0niM，p0 = 4n x10-7 (SI)，线圈匝数#= 1 800,长度Z=180mm，则几= 斤/Z，可测出不同/M的理论值5。，并求出其绝对 误差5 = IB-B。I可得结果如表1。

表2不同/M所对应的心、6、^和5

I M/mA U H/mV5/T50/T5

1000.180.001 070.001 250.00018

1500.280.001 660.001 870.000 22

2000.380.002 250.00250.000 25

2500.480.002840.003 120.000 28

3000.580.003 430.003 750.00031

3500.690.004 080.004370.000 29

4000.790.004 670.0050.00032

4500.890.005 270.005 620.00035

5000.990.005 860.006 240.00039

从表2可以看出随着励磁电流/M的增大，^

和万也增大乂的增大与公式^ =^〃/M相吻合，同时磁场增大其所受磁场力增大，导致电子在两 端聚集量增加，故霍尔电压升高^，根据5 =^，可算出其不同励磁电流/M所对应的理论值 50和误差5,可做出5-/M的曲线如图2。

从图3可以看出当固定Z= 0 mm和1s= 1mA 时随着励磁电流/M的增大，其误差逐渐增大，说 明该情况下，/M值越小误差也就越小。这说明仪 器霍尔灵敏度为& = 169 mV/mA时，

应该有一个