电磁场的相关实验

文章题目磁场测量综合实验姓名张满刚学号2012141232105电话[phone]邮箱[e-mail]创新点自述实验I霍尔效应法测量磁场分布作者：张满刚（学院：化学学院学号：2012141232105）摘要：用霍尔元件测量长直螺线管线圈轴线上磁感应强度的分布。霍尔效应副效应的分析及其消除方法。霍尔效应的应用。关键词：霍尔效应；霍尔元件；磁感应强度；引言：霍尔效应是美国科学家霍尔于1879年发现的。它揭示了运动的带电粒子在外磁场中因受洛伦兹力的作用而偏转，从而在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势差的规律。该技术在科学技术的许多领域（测量技术、电子技术、自动化技术等）中都有着广泛地用途。现在霍尔效应产品已经在自动化和信息技术中得到了广泛的应用。特别是在用计算机进行“四遥”（遥控、遥调、遥测、遥信）监控的一些现代化设备中，应用基于霍尔效应的磁平衡和磁比例式原理研制的霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔开关量传感器进行静电（直流）隔离，实现了直流电压高精度的隔离传送与检测，直流电流高精度的隔离检测和监控量越限时准确的隔离报警。霍尔效应应用的潜能引起了许多科技人员对应用霍尔效应的实用知识和技术的关注。我探索的内容是应用霍尔效应法测量磁场分布，实验内容如下：【实验目的】测量长直螺线管线圈轴线上的磁感应强度分布。【实验器材】XD-HRSZ1型磁场综合实验仪。【实验原理】（一）霍耳效应现象将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B的磁场中，并让薄片平面与磁场方向（如Y方向）垂直。如在薄片的横向（X方向）加一电流强度为HI的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z方向将产生一电动势HU。如图1-1所示，这种现象称为霍耳效应，HU称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压HU与电流强度HI和磁感应强度B成正比，与磁场方向薄片的厚度d反比，即dBIRUHH（1-1）式中，比例系数R称为霍耳系数，对同一材料R为一常数。因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d也是一常数，故dR/常用另一常数K来表示，有BKIUHH（1-2）式中，K称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳电压的大小。如果霍耳元件的灵敏度K知道（一般由实验室给出），再测出电流HI和霍耳电压HU，就可根据式HHKIUB（1-3）算出磁感应强度B。图1-1霍耳效应示意图图1-2霍耳效应解释（二）霍耳效应的解释现研究一个长度为l、宽度为b、厚度为d的N型半导体制成的霍耳元件。当沿X方向通以电流HI后，载流子（对N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流方向相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为evBfB方向沿Z方向。在Bf的作用下，电荷将在元件沿Z方向的两端面堆积形成电场HE（见图1-2），它会对载流子产生一静电力Ef，其大小为HEeEf方向与洛仑兹力Bf相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当Bf和Ef达到静态平衡后，有EBff，即beUeEevBHH/，于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为vbBUH（1-4）通过的电流HI可表示为nevbdIH式中n是电子浓度，得nebdIvH（1-5）将式（1-5）代人式（1-4）可得nedBIUHH可改写为BKIdBIRUHHH该式与式（1-1）和式（1-2）一致，neR1就是霍耳系数。（三）霍耳元件副效应的影响及其消除1．霍耳元件的副效应在研究固体导电过程中，继霍耳效应之后不久又发现了厄廷豪森（Etinghausen）、能斯特（Nernst）和里纪—勒杜克（Righi-Ledue）效应，它们都归属于热磁效应。（1）厄廷豪森效应1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到洛仑兹力大，绕大圆轨道运动；速度小的则绕小圆轨道运动，这样导致霍耳元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差电效应，形成电势差，记为EU。其方向决定于HI和磁场B的方向，并可判断EU与HU始终同向。（2）能斯特效应如图1-3所示，由于输入电流端引线的焊接点a、b处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使a和b两端之间存在温度差，于是在a和b之间出现热扩散电流。在磁场的作用下，在c、e两端出现了横向电场，由此产生附加电势差，记为NU。其方向与HI无关，只随磁场方向而变。（3）里纪—勒杜克效应由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，以产生附加电势差，记为RLU。其方向只与磁场方向有关，且与HU同向。2．不等势电势差不等势电势差是由于霍耳元件的材料本身不均匀，以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍耳片的两侧所引起的，如图1-4所示。因此，当电流HI流过霍耳元件时，在电极3、4之间也具有电势差，记为0U，其方向只随HI方向不同而改变，与磁场方向无关。3．副效应的消除根据以上副效应产生的机理和特点，除EU外，其余的都可利用异号法消除其影响，因图1-3能斯特效应图1-4不等势电势差而需要分别改变HI和B的方向，测量四组不同的电势差，然后作适当的数据处理，而得到HU。取B、HI测得01UUUUUURLNEH取B、HI测得02UUUUUURLNEH取B、HI测得03UUUUUURLNEH取B、HI测得04UUUUUURLNEH消去NU、RLU和0U得EHUUUUUU)(414321因HEUU，一般可忽略不计，所以)(414321UUUUUH（1-6）（四）霍耳效应实验仪器介绍霍尔效应实验在XD-HRSZ1型磁场综合实验仪上进行，实验仪基本结构、面板和接线图如（图1-5）所示。实验时“电压表量程”应选“200mV”挡，“输入选择”应设在“VH”挡，“IM输出”应接到实验仪上方的螺线管上，霍尔元件为高灵敏度、高稳定度、高线性度的砷化镓霍尔元件，其额定工作电流为5mA，出厂时平均灵敏度为225mV∕mA∙T（随着霍尔元件使用时间的增加，老化后的灵敏度也会有所变化），第1、3脚接工作电流，第2、4脚为霍尔电压输出端。当第1、3脚分别接电源正、负端时，如果磁场方向从正面（印字的一面）穿过，即：螺线管左右接线柱（即“红”、“黑”）分别接励磁电流IM的“正”、“负”，这时磁场方向为左边N右边S。则第2脚的电压比第4脚的电压高，霍尔电压为正，这就是前面介绍的“B、HI”对应的霍尔电压U1，其余以此类推。如果“电压表量程”选择“20mV”挡，由于霍尔元件的灵敏度很高，地磁或其他磁场干扰将使得霍尔电压读数的尾数漂移，不易测准。图1-5霍耳效应实验用仪器基本结构、面板和接线图仪器的HI和MI由多圈电位器调节，共可旋转10圈调节时要有耐心；按（1-6）式中1U、2U、3U、4U时，不要频繁拨动HI和MI方向开关，以免电流冲击干扰其他仪器的测量，在测量完所有坐标X或不同大小的电流MI或HI后再改变电流方向。有些霍尔元件的零差较大，不易按（1-6）式判断1U、2U、3U、4U的顺序，可以先不管顺序，自行任意约定iU对应的HI和MI开关方向，测完后先扣除零差0iU，在螺线管中部附近，减去零差0iU后为正值的两组iU规定为1U和3U，为负值的另外两组iU规定为2U和4U，再代入（1-6）式计算既可。零差0iU是HI和MI相应开关方向下未加磁场前（MI为零或霍尔元件位于螺线管外较远处）测得的霍尔电压值。实验仪上霍尔元件面向标尺杆轴线0刻度方向（图1-5中向右）固定在0.0mm处，而“度数环”位于距螺线管左端向左50.0mm处，如图1-5，霍尔元件距离螺线管左端X处时，标尺杆坐标为A=X+50.0mm（1-7）当标尺杆读数“50.0mm”对准透明外筒上的刻度环时，表示霍尔元件正好位于螺线管轴线上的左边缘；读数为125.0mm时，霍尔元件大致位于螺线管的中央（具体位置与每台仪器螺线管的具体长度L有关）；读数为20.0mm时，霍尔元件位于螺线管轴线上左边外30.0mm。按照对称性，推荐的测量范围是20.0～125.0mm，如果要验证对称性，测量范围扩大到20.0～230.0mm。注意在螺线管的边缘处，测量数据应适当密集一些，这样绘出的B~X曲线较平滑、美观。由于霍尔元件灵敏度较高，可以将霍尔元件连杆从线圈中拉出，不断改变霍尔元件的指向，可以定性地测量地磁场的大小和方向。【实验内容】（1）按图（1-5）连接电路，研究长直螺线管轴线上的磁场分布。要求工作电流HI调到5.00mA附近固定，并让000.2MIA，在X=30.0、-20.0、-12.0、-7.0、-3.0、0.0、3.0、7.0、12.0、20.0、40.0、75.0mm时分别测试霍耳电压HU，记下HI和K的值，同时记录长直螺线管的参数包括编号、长度L、匝数N和平均半径R，均印在仪器线圈上，应全部作为原始数据进行记录。注意每台仪器的螺线管参数不一样。（2）研究励磁特性。固定HI，将霍耳元件置于螺线管轴线上中点处，，改变MI，测量相应的HU。【注意事项】（1）霍耳元件质脆、引线易断，实验时要注意不要碰触或振动霍耳霍耳元件。（2）霍耳元件的工作电流HI不要超过5.0mA，以免发热导致参数不稳定甚至烧毁霍尔元件。（3）如果发现励磁电流MI异常增大到0.3A以上，应立即关闭仪器电源，再报告老师。【实验数据及分析】1．数据记录参考表格实验仪器编号：5，线圈匝数：N=3483，线圈长度：L=151.4mm，线圈平均直径：D=19.4mm，励磁电流：IM=0.200mA，霍尔灵敏度K=245mV/mA/T霍耳工作电流：HI=5.00mA表1-1螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差零差（IM=0.000A时）：U01=-4.6，U02=-4.6，U03=4.5，U04=4.4A(mm)20.030.038.043.047.050.053.057.062.070.090.0125.0X(mm)测量项目-30.0-20.0-12.0-7.0-3.00.03.07.012.020.040.075.0U1(mv)-4.4-4.3-3.9-3.2-2.2-1.1-0.10.81.41.82.02.10.20.30.71.42.43.54.55.46.06.46.66.7U2(mv)4.34.13.73.02.01.00.O-0.9-1.5-2.0-2.2-2.38.98.78.17.66.65.64.63.73.12.62.42.3U3(mv)4.64.85.25.86.97.98.99.810.510.911.111.20.10.30.71.32.43.44.45.36.06.46.66.7U4(mv)-4.7-4.9-5.3-6.0-7.0-8.0-9.1-10.0-10.6-11.1-11.3-11.3-9.1-9.3-9.7-10.4-11.4-12.4-13.5-14.4-15.0-15.5-15.7-15.7UH(mv)0.1250.30.751.3752.43.4254.455.355.9756.4256.6256.7B(mT)0.1O20.2450.6121.121.9592.7963.6334.3675.0825.2455.4085.469B理(mT)*****2.885*****5.735B-B理(mT)*****-0.0890*****-0.266相对误差*****0.0308*****0.0464注：1、每个Ui数据上部记原始数据，下部记扣除零差后的数据。2、下课前计算出螺线管中点和端点处磁场强度的理论值。3、打*的项目是选做内容。表1-2不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差零差（IM=0.000A时）：U01=-2.9，U02=2.8，U03=2.8，U04=-2.9，IM(A)测量项目0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1