DOC《WS- LZ》

WS- LZ 螺线管磁场实验组合仪 用户手册 成都中科唯实仪器有限责任公司 地址:成都高新区科园南一路7号

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net.cn 磁场的测定 磁场是自然界广泛存在的一种物质形态,在工农业,国防和科学研究(如粒子回旋加速器,地震预测和磁性材料研究)等方面,经常要对磁场进行测量.根据被测磁场的类型和强弱的不同,测量磁场的方法也不同.霍尔效应法,冲击电流计法就是常用的两种方法,螺线管磁场组合实验仪就是能用以上两种方法测定长直螺线管内外磁场的仪器. 【实验方法】 霍尔效应法测量磁场 【实验目的】 1. 观察霍尔现象 2. 了解应用霍尔效应测量磁场的原理和方法 3. WS-LZ型螺线管磁场实验组合仪测定螺线管内外磁场分布 【实验仪器】 1. WS-HL/LC型霍尔效应-螺线管磁场测试仪 2. WS-LZ型螺线管磁场实验组合仪 【实验原理】

1、霍尔效应 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应.是霍尔(E.H.Hall 1855―1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的.后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器,但终因效应太弱而没能得到应用.随着半导体材料和制造工艺的发展,人们又利用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展,广泛用于非电量电测,自动控制,电磁测量和计算装置方面. 如图1所示在与磁场B垂直的半导体薄片上通以电流I,假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿于电流I相反的方向运动,由于洛仑兹力的作用,电子即向一侧偏转(如图中虚线方向),并使该侧形成电子积累,另一侧形成正电荷积累,与此同时,还要受到与此反向的电场力fE作用.当两力相等时,电子的积累便达到动态平衡.这时在两横端面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. 设电子按均一速度V向图示方向运动,在磁场作用下,所受洛仑兹力为 fL=eVB fL洛仑兹力 e电子电量 v电子速度 B磁感应强度 (1) 同时,电场作用于电子的力为 fE=eEH=eVH/d (2) fE电场力 EH 霍尔电场 VH 霍尔电势 d 元件宽度 当达到动态平衡时 VB=VH/d (3) 电流密度j可用电子浓度(对N型半导体)来表示即j=neυ中速度与电流方向相反则 I=neυdh (4) 即υ=I/ nedh (5) 式中h为元件厚度 将(5)式代入(3)式可得 VH =IB/ne h (6) 如果半导体材料是P型,其空穴浓度为P,则可导出 VH=IB/peh (7) 根据(6),(7)式,可以从实验中得出的正、负来判断材料的类型 令RH =I/ne则(6)式为 VH=RHIB/h (8) 式中RH称为材料的霍尔系数,其值反应某种霍尔材料的霍尔效应的强弱.根据材料电导率可得 式中,μ为载流子的迁移率,即单位电场下载流子运动速度 一般电子迁移率大于空穴迁移率,故大多采用N型半导体材料制作霍尔元件. 若令 (9) 将(9)式代入(8)式得 (10) 式中KH称为霍尔元件的灵敏度,它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电流的大小,其单位是(mV/mA・T)一般都要求KH愈大愈好,由于金属的电子浓度很高,其RH、KH都不大,故不适宜作霍尔元件,此外元件的厚度h愈薄,KH也愈高,所以在制作时,往往都采用减少h的办法来增加灵敏度,但是也不是h愈薄愈好,因为元件的输入和输出电阻将会因此而增加,霍尔元件测磁场的基本电路如图2.其中IS为一恒流源,向元件提供一恒定的工作电流,由于磁感应强度B不同,则在两侧端输出霍尔电压,用毫伏表mv测量,根据公式VH=KHIB 可计算出 【实验步骤】 1.按图3将WS-LZ型螺线管磁场实验组合仪与WS-HL/LC型霍尔效应-螺线管磁场测试仪连接起来,其中磁力线圈已同换向开关联好,且测试仪置L档. 2.将提供励磁电流的恒流源调到 IM=1.000A,提供霍尔元件工作电流的恒流源调到IS=10mA(注意:只有在接通负载时,恒流源才能输出电流,数码管上才有相应显示). 3.分别改变励磁电流IM,工作电流IS,霍尔电压VH三个转换开关的正反向接通组合,在数码显示器中读出相应的霍尔电压,填在以下记录表格中. IM(A) IS(mA) 正向VH(mA) 反向VH(mA) +1.000 +10.00 +1.000 -10.00 -1.000 +10.00 -1.000 -10.00 ∑|VH| VH 4.将所测八个VH的绝对值的平均值 代入公式 计算出磁感应强度B. 【实验注意】 1.实验原理所讨论的结果都是在磁场与霍尔工作电流垂直的条件下进行的,此时霍尔电势差最大,在制作测量装置时已注意到此点,但在探测棒多次抽出,插入中,若位置发生了偏移则必须校正. 2.测的电势差除霍尔电压外还包括附加电势差.如由于霍尔电极位置不在一等势面上,则当磁场为零时两霍尔电极间仍在电势差 U0 ,此称不等位电势差.另外由于电极与霍尔元件的接触电势不同及两极间温度不同,也要形成接触电势和温差电势.这些副效应所产生的电势差总和,有时甚至远大于霍尔电势差,形成测量的系统误差,以致使霍尔电势差难以测准.为了减少和消除这些效应引起的附加电势差,利用这些电势差,与元件电流和磁场B的方向变换,引起的正负对称值.采用(+IM,+IS),(+IM,-IS),(-IM,+IS),(-IM,-IS)四种条件下进行测量,将测量到的VH取绝对值平均,作为测量结果. 【实验方法】 冲击法测量磁场 【实验目的】 1.了解应用冲击法测量螺线管磁场的原理和方法 2.使用WS-LZ型螺线管磁场实验组合仪、WS-HL/LC型霍尔效应-螺线管磁场测试仪、WS-DQ3型冲击电流计采用冲击法测定螺线管磁场 【实验仪器】 1. WS-LZ型螺线管磁场实验组合仪 2. WS-DQ3型冲击电流计 3. WS-HL/LC型霍尔效应-螺线管磁场测试仪 【实验原理】 1.螺线管内部和外部磁感应强度B 直螺线管是指均匀地密绕在直圆柱面上的螺线形线圈,可以近似地看成是一系列圆线圈排列而成.当螺线管的长度L比其直径(2R)大得多时(L> >2R),可视为"无限长"螺线管,取螺线管的轴线为X轴,中心为坐标原点. 根据理论分析螺线管中部各点的磁场是均匀的,其磁感应强度为 (1) 两端口的磁感应强度为 (2) 螺线管外部的磁感应强度为零,实际上管口外部附近B≠0 ,管外侧中部B→0 式中 I―通电螺线管的电流强度(A) n―螺线管单位长度上的线圈匝数(匝/米) ―真空的磁导率 亨利/米 设螺线管轴线中心为原点O,轴向为X轴,螺线管管长为L,匝数为N,半径为R0,当通以电流I时,可以证明,管轴上任一点的磁感应强度的理论值为: (3) 当X=0时可得螺线管中心O的磁感应强度为 (4) 当L>>2Ro时(L2+4R02)1/2≈L 则与前述结论(1)式相同当X=L/2时可得螺线管两端面中心的磁感应强度为 (L> >2R)5) 若螺线管所绕导线为多层,则可按多层不同的RO计算BX得到.