霍尔效应测量磁场.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,一.霍尔效应测量磁场,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量,测量磁场的方法有多种,如冲击电流计法、核磁共振法、天平法、电磁感应法、霍尔效应法等.,本实验介绍霍尔效应法测磁场测量原理简单、方法简便、测试灵敏度较高,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,一.实验目的,了解霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用,了解载流线圈的径向磁场分布情况,测量载流亥姆霍兹线圈的轴线上的磁场分布,进一步掌握磁场叠加知识,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,二.实验原理,1.霍尔效应,带电粒子在磁场中运动,受洛仑兹力的作用而引起偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横电场。,如图所示，磁场,B,位于,Z,的正向，与之垂直的半导体薄片上沿,X,向通以电流,Is,（称为工作电流），假设载流子为电子（,N,型半导体材料），它沿着与电流,Is,相反的,X,负向运动,。,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,电子积累达到动态平衡时,在,A,、,B,两端面之间建立的电场称为,霍尔电场,E,H,，相应的电势差称为,霍尔电势,V,H,磁场,B,下，电子受洛仑兹力：,f,L,=,evB,电场,E,下，作用于电子的力：,f,E,=-eE,H,=-eV,H,/l,动态平衡时,:,f,L,=,f,E,vB=V,H,/l,(1),则霍尔元件的工作电流为,:,I,s,=nevld,(2),(3),v:,电子速度,n:,载流子浓度,l:,霍尔元件宽度,d:,霍尔元件厚度,本实验中,d=0.2mm,，,l=1.5mm,，,L=2.5mm,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,R,H,=l/ne,称为,霍尔系数,当霍尔元件,d,和,l,确定时，元件的灵敏度,K,H,K,H,=R,H,/d=l/ned,V,H,=K,H,I,S,B,-,对于半导体材料，在弱磁场下,引入一个修正因子,则,材料的电导率,，得到,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,注意：,当磁感应强度,B,和元件平面法线成一角度时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量,B,cos,则,V,H,=K,H,I,S,B,cos,使用时应调整元件两平面方位，使,V,H,达到最大,=0,则,V,H,=K,H,I,S,B,cos,=,K,H,I,S,B,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,当工作电流Is,或磁感应强度,B,，两者之一改变方向时，霍尔电势,V,H,方向随之改变；若两者方向同时改变，则霍尔电势,V,H,极性不变,霍尔元件测量磁场的基本电路,将霍尔元件平面与待测磁场的磁感应强度B垂直，控制端输入恒定的工作电流,Is,，霍尔电势输出端接毫伏表，测量霍尔电势,V,H,的值,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,实验系统误差及其消除,测量霍尔电势,V,H,时，会产生一些副效应，产生的附加电势叠加在霍尔电势上，形成测量系统误差,（1）不等位电势,V,0,引线不对称的焊在霍尔片两侧,霍尔片电阻率不均匀、控制电流极,的端面接触不良.两极不是等位面,存在电势差,V,0,IsR,0,称不等位电势，,R,0,是两等位面间的电阻,R,0,确定时:,V,0,与,Is,的大小成正比,其正负随,Is,的方向而改变,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,（,2）爱廷豪森效应,当元件,X,方向通工作电流,Is,，,Z,方向加磁场,B,时，由于片内的载流子速度服从统计分布，有快有慢。在到达动态平衡时，在磁场的作用下慢速快速的载流子将在洛仑兹力和霍耳电场的共同作用下，沿,Y,轴分别向相反的两侧偏转这些载流子的动能将转化为热能，使两侧的温升不同，因而造成,Y,方向上的两侧的温差（,T,A,T,B,）。因为霍尔电极和元件两者材料不同，电极和元件之间形成温差电偶，这一温差在,A、B,间产生温差电动势,V,E,，V,E,IB,。,称爱廷豪森效应，,V,E,的大小与正负符号与I、B的大小和方向有关，跟V,H,与I、B的关系相同，不能在测量中消除,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,（3）伦斯脱效应,由于控制电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不同，控制电流在两电极处将产生不同的焦耳热，引起两电极间的温差电动势，此电动势又产生温差电流（称为热电流）,Q,，热电流在磁场作用下将发生偏转，结果在,Y,方向上产生附加的电势差,V,N,，且,V,N,QB,这一效应称为伦斯脱效应，由上式可知,V,N,的符号只与,B,的方向,有关。,正电子运动平均速度（,图中,VV,）,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,（4）里纪杜勒克效应,霍尔元件在,X,方向有温度梯度的,dT/dX,，引起载流子沿梯度方向扩散而有热电流,Q,通过元件，在此过程中载流子受,Z,方向的磁场,B,作用下，在,Y,方向引起类似爱廷豪森效应的温差,T,A,T,B,，由此产生的电势差,V,R,QB,，其符号与,B,的方向有关，与,Is,的方向无关。,为了减少和消除以上效应的附加电势差，利用这些附加电势差与霍尔元件工作电流,Is,，磁场,B,（即相应的励磁电流,I,M,）的关系,，采用对称（交换）测量法进行测量,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,当+I,S,，+I,M,时 V,AB1,+V,H,+V,0,+V,E,+V,N,+V,R,当+I,S,，-I,M,时 V,AB2,-V,H,V,0,-V,E,-V,N,-V,R当-I,S,，-I,M,时 V,AB3,+V,H,-V,0,+V,E,-V,N,-V,R,当-I,S,，+I,M,时 V,AB4,-V,H,-V,0,-V,E,+V,N,+V,R,对以上四式作如下运算则得：,（V,AB1,V,AB2,+V,AB3,V,AB4,）V,H,V,E,可见，除爱廷豪森效应以外的其他副效应产生的电势差会全部消除，因爱廷豪森效应所产生的,电势差V,E,的符号和霍尔电势V,H,的符号，与I,S,及B的方向关系相同，故无法消除，但在非大电流、非强磁场下，V,H,V,E,，因而V,E,可以忽略不计，由此可得：V,H,V,H,V,E,=,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,2.载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场,(1)载流圆线圈磁场,根据毕奥萨伐尔定律，载流线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线上某点的磁感应强度为：,I,为通过线圈的电流强度,R,为线圈平均半径,X,为圆心到该点的距离,N,0,为线圈的匝数,0,为真空磁导率,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,(2)亥姆霍兹线圈,两个完全相同的圆线圈彼此平行且共轴,通同方向电流,I,两线圈间的距离等于线圈半径,R,两线圈合磁场在中心轴上磁场是均匀的,这一对线圈称为亥姆霍兹线圈,设x为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离,中心点O处的距离，则亥姆霍兹线圈,轴线上任点的磁感应强度为：,亥姆霍兹线圈轴线上中心O处磁感应,强度B,O,为：,亥姆霍兹线圈磁场分布图,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,三.实验仪器,DH4501B,型,三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,实验仪接线面板图,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,四.实验内容及数据记录,测量单个载流圆线圈,A,轴线上(,X,向)磁场,B,1,的分布,(1)用连接线将励磁电流I,M,输出端连接到圆线圈A，霍尔传感器的信号,连接线,连接到面板的对应插座上。,(2)开机预热10分钟,调节I,M,=0.000A,特斯拉磁场计调零,(3)调节 Is=5.00mA,I,M,=0.5A,移动X向导轨滑块,每10mm间隔记录轴线上各点的霍尔电压V,H,(4),根据公式 B=V,H,(,K,H,I,S,),计算出各点的磁感应强度B，绘出B,1,X图，即圆线圈轴线上B的分布图。,*K,H,值 标在每台仪器上,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,表1 B,1,X,I,S,=5.00mA I,M,=0.5A,X（mm）,V,1,(mV),V,2,(mV),V,3,(mV),V,4,(mV),(mV),B,1,(mT),+Is、+I,M,+Is、-I,M,-Is、-I,M,-Is、+I,M,-120,-110,-100,-90,0,10,20,50,60,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,测量单个载流圆线圈,B轴线上(X向)磁场,B,2,的分布,(1)用连接线将励磁电流I,M,输出端连接到圆线圈B，霍尔传感器的信号连接线连接到面板的对应插座。,(2)霍尔元件置于亥姆霍兹线圈轴线上，x导轨为-60mm，y导轨为0mm，移动X向导轨，测量单个圆线圈B通电时，轴线上的各点处的霍尔电压，可以每隔10mm测量一个数据，直至x导轨坐标为120mm。,(3)将测量的数据记录在表格中，再根据公式计算出轴线上（X向）各点的磁感应强度B，并绘出B,2,X图，即圆线圈轴线上B的分布图。,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,表,2,2,X I,S,=5.00mA I,M,=0.5A,X（mm）,V,1,(mV),V,2,(mV),V,3,(mV),V,4,(mV),(mV),B,1,(mT),+Is、+I,M,+Is、-I,M,-Is、-I,M,-Is、+I,M,-60,-50,-20,-10,0,10,20,110,120,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,3.测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场,B,R,的分布,(1)调整亥姆霍兹线圈间距R=100mm，Y向导轨,、,Z向导轨置于0,(2)将线圈A和B同向串联，并通入励磁电流I,M,及其他必须的电流,(3)用短接线将数显毫伏表输入端短接，调节I,S,、I,M,电流均为零，调节面板上的调零电位器旋钮，使毫伏表显示为0,(4)调节I,S,=5.00mA，励磁电流I,M,=0.5A，移动X向导轨以10mm为间隔距离,测量通电亥姆霍兹线圈轴线上的霍尔电压，数据记录在表格3,计算出各点的磁感应强度B,并绘出B,X图,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,X（mm）,V,1,(mV),V,2,(mV),V,3,(mV),V,4,(mV),(mV),B,R,(mT),+Is、+I,M,+Is、-I,M,-Is、-I,M,-Is、+I,M,120,100,80,60,40,20,0,-20,-40,-60,-120,表,3,R,X I,S,=5.00mA I,M,=0.5A,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,4.比较和验证磁场叠加的原理,将表1和表2的B,1,、B,2,数据按X向的坐标位置相加，得到B,1,+B,2,将B,1,、B,2,、B,1,+B,2,数据绘制在一起并与表的B,R,数据比较,5.测量亥姆霍兹线圈Y方向上磁场分布,x向导轨置0,调节I,M,=0.5A,I,s,=5.00mA,移动Y向导轨以10mm为间隔距离,测量磁场数据,绘出B-Y曲线(表格自拟),最后,分析总结通电线圈轴线上各点磁感应强度的分布规律,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,二,.,电子元件的判别,与,整流器组装,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,整流电路（rectifying circuit）把交流电转换为直流电的电路。电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波电路等组成。整流以后的电压是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，称单向脉动性直流电压。再经滤波电路，将大部分高频交流成分滤去，得到较为稳定的直流电。,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,一 设计任务,使用万用表判别电子元器件,设计组装整流滤波电路,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,二 设计要求,用万用表判别盒内电学元件,按设计电路用导线连接成半波整流电路,信号发生器接整流电路输入,示波器显示负载上波形,用万用表测出输出电压峰值平均值,U,0,测出变压器次级电压的有效值,U,2,将上述电路分别改为全波整流加电容滤波电路和桥式整流加,型滤波电路,重复上述实验,在桥式整流加,型滤波电路中的滤波电阻与负载电阻对换,观察变化,并讨论,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,三 实验仪器,YB4340G,双踪示波器,DF1631L,功率函数信号发生器,500HA型万用表,判别暗盒,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,四 实验记录,1,元件判别记录,。,。,。,在图上画出相邻两接线柱间的元件符号：变压器（中心抽头）、电容（极性）、电阻（阻值）及二极管（导电方向）,2,设计、组装电路,分别画出输入输出波形,半波整流电路,全波整流电路和加电容滤波电路,全波桥式整流电路和加接型滤波电路,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,3,测量记录,半波整流,全波整流,全波整流,加电容滤波,桥式整流,桥式整流加,型滤波,直流输出电压,U,0,交流输入电压,U,2,用万用表直流档测出负载电阻上压降,U,0,万用表功能档测出变压器次级电压的有效值,U,2,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,附,：,电子整流电路是电子线路的基本线路之一,在稳压电源、信号处理等电路中有广泛应用。,半波整流电路,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,全波整流电路和加接电容滤波电路,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,全波桥式整流电路和加接型滤波电路,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,电解电容器,电解电容器的介质是一层极薄的附着在金属极板上的氧化膜，其阳极是附着有氧化膜的金属板，阴极则是液体、半液体、或胶状的电解液。电解电容器分有极性和无极性两种，铝电解电容器是使用得最广泛的有极性电解电容器。有极性电解电容器具有单向导电性质（即其正、反向电阻值不等），将它接入电路中时，往往使它呈现电阻大的状态，故电容器的正端应接电位高的一端（或正极），负端应接在电位低的一端（或负极）。若极性接反，不但降低了电解电容器的性能指标，而且所呈现的漏电阻也就大大减小，漏电流增大，甚至造成电解电容器损坏或击穿。,实验中用万用表电阻档的黑、红试棒来判断电解电容器的正、负端。更换黑、红试棒与电解电容器的二端接触，待电容器充放电稳定后，所显示的漏电阻值来判别电解电容器的正、负端。即当漏电阻较大的一种连接时，与黑棒相接触的一端为电解电容的正端，与红棒相接触的一端即为电解电容的负端了。,NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY,ZHEJIANG UNIVERSITY,PHYSICS LABORATORY,二极管及其伏安特性,二极管是用半导体材料制成的，半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体材料的导电性能之间。半导体材料常用有硅、锗管。,二极管的电压电流关系曲线，也叫做伏安特性曲线，用实验的方法测得。图中OA段为正向不灵敏区，电压增长很快，而电流增加很少。我们称OA 段的电压值为二极管的死区电压。,锗管为:0.1v0.3v 取0.2v,硅管为:0.5v0.7v 取0.7v,