《工程电磁场实验》word版

1、吉林大学仪器科学与电气工程学院 实验三 霍尔效应法测量磁场磁场及物质磁性的测量时物理测量的一个重要分支。测量磁场的方法按其原理可分成两大类(1)由物质在磁场中的表现的特征而发展起来的方法：霍尔效用法和核磁共振法等；(2)以电磁感应原理为基础的测量方法：冲击法和感应法等。感应法对线圈的转速与标定分度要求很高但测量不高，因而应用较少。核磁共振法是目前测量均匀磁场最准确的方法，常用来校验或标定其他测磁仪器。霍尔效应法和冲击电流法是常用的两种方法。其中霍尔效应法在测量技术、自动技术、计算机和信息技术中有广泛的应用，例如各种型号的高斯计就是利用此原理；冲击法作为一种较为简单、标准的测量方法历史悠久，至今

2、仍为标准计量局采用。目的观察霍尔现象。了解应用霍尔效应测量磁场的原理和方法。学会使用霍尔元件测量螺线管内外磁场。研究通电螺线管内部磁场分布。原理霍尔效应霍尔效应是霍普斯金大学研究生霍尔1879年在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的，它是电磁基本现象之一。 图1 磁场中通电半导体的受力示意图如图1所示，一个长、宽、厚分别为l、b、d的半导体薄片，在X方向通以电流Is，Z方向加磁场B，则载流子（N型半导体为带负电荷的电子，P型半导体为带正电荷的空穴）受洛仑兹力的作用而发生偏转，在半导体的两侧引起正负电荷的聚集；与此同时，还受到与此反向的电场力fE的作用，当两力相等时，电子的积累便达到动态平衡。

3、这时，在AA端之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势VH，这种现象是霍尔发现的，被称为霍尔效应。设载流子平均速率为u，每个载流子的电荷量为e，当载流子所受洛仑兹力与霍尔元件表面电荷产生的电场力相等时，则VH达到稳定：euB=eEH (1)Is=bdneu或u=Isbdne (2)所以有VH=Isned=RHIsBd (3)RH=1ne称为霍尔系数（也成为霍尔器件的灵敏度），是反映材料霍尔效应强度的重要参数。进一步地，定义霍尔灵敏度KH=RHd=1ned。这样可推出：VH=KHIsB (4)B=VHIsKH (5)所谓霍尔器件就是上述霍尔效应制成的电磁转换元件，已广泛用于非电量测

4、量、自动控制和信息处理等各个领域。对于成品的霍尔元件，其RH和d已给出，因此就将上式写成VH=KHIsB，其中霍尔器件的灵敏度KH（其值由制作厂家给出），它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。以上式中的单位取Is为mA，B为KGS，VH为mV，则KH的单位为mV(mAKGS)。根据(5)式，因KH已知，而Is由实验给出，所以只要测出VH就可以求出未知磁场强度B。霍尔元件负效应的影响及消除在产生霍尔电压VH的同时，还伴有四种负效应，负效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差，因此需要根据其机理给予消除。额延格森效应：从微观和统计的概念可知，半导体中流动的载流子其速度有大

5、有小，并不相等。因此他们受到的洛仑兹力并不相等。速度大的电子受力大，更多的聚集到e面，快速电子动能大，致使e面的温度高于c面。由于温差电效应，ce之间将产生电动势差，记为VE，VE的方向决定于电流IH和磁场B二者的方向，并可判知VE的方向始终和VH相同，因此不能用换向法把它与UH分别开来（因为此影响较小，可忽略）。图2 能斯脱效应：如图1，“1-2”是电极在a，b面上的接触电阻，不可能制作的完全相等。因此，当电流流过不等的接触电阻时，将产生不等的热量，致使a，b面温度不相等。热处电子动能大，扩散能力强，动平衡的结果是电子从热端扩散到冷端，形成附加的热电子流。附加电流也受磁场偏转而在“3-4”端

6、产生电势差，记为VN，可以看出VH的方向与IH的方向无关，只随磁场的方向而改变。这样，我们就可以采用“对称测量法”消去VH。里纪-勒杜克效应：在能斯脱效应的该热电子流也与IH一样具有额延格森效应，附加电势差，记为VRL，其方向也与IH方向无关，只与磁场B的方向有关，即与VH同方向，所以可以用同样的方法消除VRL。不等势电压降Va：电极3和4应该做在同等势面上，但制造时很难做到。因此，即使没加磁场，当IH流过时，在“3-4”端也具有电势差，记为Va，其方向只随IH方向改变而改变，只与磁场方向有关。这样也可以采用对称测量法（也是换向法）改变磁场方向，消去Va。因此，为了消除负效应的影响，在操作时我

7、们需要分别改变IH的方向和IM即B的方向，记下4组电势差的数据。 = 1 * GB3 取IH，B均为正向，测得的电势差记为V1，此时令各种电压均为正，则有： V1=VH+VE+VN+VRL+VO （6） = 2 * GB3 换IH为负，B仍为正，此时，VHVE和VO换向，而VNVRL不换向，测得的电势差记为V2，则： V2= VHVEVNVRLVO （7） = 3 * GB3 再改变IH，B皆负，此时，VH，VE又换为正，VO仍负，VN，VRL换向为负，测得的电势差记为V3，则： V3=VHVEVNVRLVO （8） = 4 * GB3 再改为IH正B负，测得的电势差记为V4，则 V4=VHV

8、EVNVRL+VO （9）然后，求其代数平均值，即可消去VN，VRL和VOV1V2+V3V44VH+VE= （10）由于VE方向始终与VH相同，所以换向法不能消除它，幸好一般VEVH，故可忽略不计，于是：（V1V2V3V4）4VH = （11） 霍尔效应法测磁场核心电路原理图图3 霍尔元件工作原理图其中为霍尔元件5303的工作电压，为输出电压。实际工作中，要将磁场为零时的偏置电压去掉，所以，作为霍尔元件对磁场的感应电压；霍尔元件的工作电流由得到。仪器XN-LXG- = 3 * ROMAN III型螺线管磁场测定仪，5303测量电路板实验步骤将移动尺上带霍尔探头的探测杆用螺丝固定好，并将接线连接

9、至电路板上。将XN-LXG- = 3 * ROMAN III型螺线管磁场测定仪电源的励磁电流IM调零（即相应旋钮逆时针旋到底），并将其接“励磁电流IM输入”。旋转IM旋钮，改变IM输出值的大小。励磁电流数字表头显示的IM值即随“IM调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为01.2A。将5303电路板上各电源线接至微机电源上（包括）。打开“电工实验台”上的直流电压源开关，调至“输出1”，并将其输出值调至“5V”，正负接线柱接至5303电路板上。测定霍尔元件的灵敏度KH从（5）式可见，在工作电流IS一定时，磁感应强度B与霍尔电压VH成正比。因此在实验前应先测定霍尔元件的灵敏度KH，即测出B与VH的

10、关系。这需要有一个标准磁场，通常可用无限长直螺线管通以额定电流获得。对于无限长直螺线管轴线上的磁感应强度 B=0nI式中0为真空导磁率，为螺线管单位长度的匝数(1500匝)，I为通过螺线管线圈的电流(IM)。但实际螺线管的长度是有限的，对有限长密绕直螺线管，轴线上中点的磁感应强度B=LD2+L20nI式中LD2+L2为一修正系数，L和D分别为螺线管的长度和直径(直尺量出)。保持，不变，分别改变霍尔元件处于距螺线管轴向距离1cm，5cm，7cm，9cm，11cm，14cm，19cm处（用卷尺量出）测量及的值，并记录，填入表1表1 l(cm)1579111419(mV)=(mA)(mV)B保持，分别调输出，使其分别为0.2A，0.4A，0.6A，0.8A，1.0A，测量及的值，并记录，填入表2表2 （A）0.20.40.60.81.0(mV)=(mA)(mV)B保持不变，分别调节值为4.8V,5.0V,5.2V,5.4V,5.6V，测量及的值，并记录，填入表3表3 (V)4.85.05.25.45.6(mV)=(mA)(mV)B五、 数据处