复旦大学：《设计性研究性物理实验》学生论文_霍尔元件测螺线管磁场分布实验的改进

物理实验第20卷第3期 霍尔元件测螺线管磁场分布实验的改进 郭俊杰”刘庆炜·陆申龙 (复旦大学物理系上海200433) 摘要现用尔元件测螺线管磁场分布实验仪为提供1×10T的磁感应强度,采用增大螺线管线圈层数 和电流的方法.由于管内温度高,霍尔元件易损坏、实验数据也不稳定.本文以集成霍尔元件代替锗霍尔元件,可 在线圈安匝数较小的条件下,使测量数据稳定、准确,且教学效果很好 关键词螺线管磁场锗霍尔元件集成霍尔元件 1引言 以为霍尔元件根本无法准确测量磁场,而且对 洛仑兹效应的认识也变得比较模糊,如此高的 现国内教学仪器厂生产的螺线管磁场分布温度又使霍尔元件容易损坏,仪器返修率高.为 实验仪采用的是锗霍尔元件测磁场,由于霍尔此,笔者用先进的集成霍尔元件SS495Al代替 元件通电流时将出现剩余电压(包括四个副效锗霍尔元件,该集成霍尔元件灵敏度高,且元 应产生的电压和不平衡电压)与螺线管内磁场件本身消除了剩余电压影响,可用来很好地测 产生的霍尔电压相近,故霍尔元件测螺线管磁量管内10-T数量级的磁感应强度,这样通电 场分布实验仪均在管外绕了10层线圈,并且实螺线管的安匝数不需要太大,如果也用10层线 验时通以近1A的电流,在管内产生2×10 圈的螺线管,电流只要原来的1/5大小.这样 1×10-T的磁感应强度.但是,线圈层数如此既保证了实验数据稳定,又突出了教学重点 多,通过的电流又大,实验不久螺线管内发烫, 管内热量不易散发,因而用数字电压表测到的 2实验装置 霍尔电压(包括剩余电压)数据相当不稳定,经 实验装置如图1所示.其中1为集成霍尔 常发生数据无法记录的困境.从而使同学们误元件SS495A,它装在一塑料管的头部,塑料管 C.o+:t-5+0-.o+6-5++ 形状及其特征量列于下面表1中,其图形如图5所示 条纹级数k 条纹形状 直线双曲线双曲线双曲线抛物线椭圆椭圆椭圆点 688 7.5|-2.8 条纹与Y轴交点/cm 34.6 11.6 11,6 246-17.8-125 条纹中心轴(点)坐标y/cm=34.6-385-57.8-350 57.6 11.6 b长半轴或实轴)/m013:40138 25.8 a(短半轴或虚轴)/cm 42049.0112 (椭圆为短长轴之比) 3.0 1.2 0.33 0.610.780.85 双曲线为渐近线之斜率) 复且大学97级基地班学生 2 01995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId All rights reserved

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物理实验第20卷第3期 上有刻度,可左右拉伸,并读出集成霍尔元件的 轴出电压NV 位置2为长直螺线管,此螺线管为10层,绕线 轴出电压 密度为175圈/cm,两端接WYJ50V3A型晶体 管直流稳压电源集成霍尔元件的V+,V两端 连接PZ114型数字电压表.5表示在O,V-两 端连接PZ114型直流数字电压表.6为此集成 图 3原理 霍尔元件是一种利用霍尔效应的电路元 件.将一通电导体或半导体薄片置于磁场中,则 产生一个和电流及磁场方向垂直的电场,亦即 产生一电动势.这种现象称霍尔效应.这个电动 1.SS495Al型集成霍尔元件2.长直螺线管3,4直流电源 势称霍尔电动势.霍尔电动势VH和电流Ⅰ与 5.数字电压表6SS495A型集成霍尔元件引脚图 磁场的磁感应强度B之积成正比,其比例系数 7.读数标志8.普通霍尔元件示意图 为霍尔系数RH与元件厚度D之比,其表达 霍尔元件的示意图,它的内部电路结构如图2为 所示,最左端为一霍尔传感器,中间连接了一个 RH/D)IB 放大器.右端一个方框表示采用元件进行电压设霍尔灵敏度KH=RH/D,则 补偿(补偿剩余电压)和温度补偿.为了使用简 KHIB 便,SS495A型霍尔元件中霍尔传感器通电流所以 的两端引出与产生霍尔电压的两电极中有一端 B=VH/(KHI (负端)接在一起,因此该霍尔元件只有三个引 集成霍尔元件为一霍尔电势发生器及集成 脚端.实验时从V+,V两端输入5V电压,O,放大器组成器件的输出电压随外加磁感应强 V-两端即为输出电压.SS495Al型集成霍尔元度B成线性比例变化.它满足 件的输出特性如图3所示,在无磁场情况下,当 2.500)/K 输入电压为5V时,输出电压2.5V.此霍尔元式中K为集成霍尔元件灵敏度 件的灵敏度可达(3.125士0.094)×104mV/T, 实验数据及讨论 线性误差只有-1.0%,温度误差也只在 士0.04%左右.因此测量结果稳定、准确.而且 作者对用锗霍尔元件和集成霍尔元件测螺 该元件用补偿法消除剩余电压,是目前实际科线管磁场的结果作了比较,见表1及表2.在用 研中应用的重要方法 锗霍尔元件的实验中,所得的四个V相差较 大.特别在磁场边缘,由于磁感应强度较弱,四 个V的偏差几乎与VH相当 尔传感器 放大暑 例如表1的螺线管边缘30cm处,四个V 与vH的偏差约为0.4mV,几乎与Vn相当,故 度补偿 实验时必须通以大电流,增大安匝数,从而在 螺线管中心附近产生较强的磁感应强度,这样 2 01995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId All rights reserved

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物理实验第20卷第3期 才能使待测量比剩余电压大得多,此时偏差相免了测四个V的问题,又有信号放大,从而可 对VH较小.例如表1中16cm处,磁感应强度用来测量弱磁场,也就避免了引言中提到的众 为14.4mT时的四个值与平均值偏差要比VH多缺点,偏差也只有2.3%左右,实验结果见表 值小得多.而采用集成霍尔元件的话,因为避 表1用绪霍尔元件测螺线管磁场分布数据 长度L=2600cm,KH=1.65×10mV/(mA·mT)匝数3000±20层数10圈 位置刻度/cm 「28.000.00 vn(+20mA,+1A)-010:4121.a1.20:.91141.0010.56-018 VH2(+20mA,-1A 691491.851.991.991.891.981.88 VH3(-20mA,一1A) 0.611.401.771.891.891,291.871.78 v(=20mA,+1A)|-000811.201:31.301:5861:241.1302|-021 平均Vw/mV 0.3651.101.4851.5981.5951.6901.5581.4480.980.418 33910.31138014.8414.8215.7014.4713459.103.88 注:表1引自上海大学核力电子设备厂生产的螺线管磁场分布实验仪的说明书 表2用集成霍尔元件测螺线管磁场分布数据 In=0.200A自制螺线管N/L=175圈/cm10层线圈L=45.00cm 标尺读数/c v/mv 标尺读数cm301201340036039004.0140050 2612259225372528251025052502 2.501 中心点B■e=p(N/L)In=4×175×102×0.200×10=4,39×10-T Bkw=4.29×10T 百分差7=2.3% 原实验装置采用的是改变螺线管电流方向解.实验结果也得到了仪器生产厂上海大学核 和霍尔元件电流方向的四次变向法来消除剩余力仪器厂的首肯,该厂将根据我们建议在原仪 电压影响,操作繁琐,此法在实际应用中价值器基础上增加集成霍尔元件测螺线管磁场分 不大,科学研究中都是采用补偿法来消除剩余布,以更好地适应教学发展需要.本实验研究 电压.SS495Al型集成霍尔元件内部正是采用过程中得到曹正东高级实验师的指导与帮助, 了补偿法,因此便于实际应用 在此表示衷心感谢 本文所采用的实验装置还便于实验者对整 参考文獻 个装置特别是霍尔元件有更深入的认识.原实 验中,霍尔元件装在螺线管内部,实验者无法1陆廷济等.大学物理实验.同济大学出版社,1996 直接观察到管内的霍尔元件,而本实验中集成 124~129 霍尔元件装在塑料管头部,从而可取出直接观 上海大学核力电子设备厂,长直螺线管轴向磁场分 察,使实验者对实验有更深刻的认识. 布实验装置技术说明书.1996 3上海半导体器件十六厂,SS495Al型集成霍尔传感 5结束语 器说明书.1997 (1999-07-20收稿 本实验用集成霍尔元件代替锗霍尔元件 使我们对集成霍尔元件的性能有了较完整的了 2 01995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId All rights reserved

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