一种霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置

田凯;蔡晓艳;王照平

【摘 要】提出了一种霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置.该实验装置采用直线电机带动霍尔元件在螺线管中移动,定位准确方便.螺线管励磁电流及霍尔元件驱动电流采用数控恒流源来提供,可以方便地改变方向及大小,精确控制测量时间,避免螺线管发热,从而提高实验精度,保护实验装置. 【期刊名称】《实验室科学》 【年(卷),期】2015(018)001 【总页数】4页(P55-57,62)

【关键词】霍尔效应;磁感应强度;实验装置 【作 者】田凯;蔡晓艳;王照平

【作者单位】黄河科技学院信息工程学院,河南郑州450000;黄河科技学院信息工程学院,河南郑州450000;黄河科技学院信息工程学院,河南郑州450000 【正文语种】中 文 【中图分类】N33;G420

霍尔效应是指置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，称为霍尔电场，从而在载流体两侧会产生一电压，这种电压称为霍尔电压，这种现象称为霍尔效应，因为这一现象最初是由霍普金斯大学研究生霍尔在1879 年发现的。后来人们又发现了量子霍尔效应、

分数量子霍尔效应［1］、反常量子霍尔效应等［2-4］。

霍尔效应有很多用途。随着半导体物理学的迅速发展，霍尔效应已经成为研究半导体材料的主要手段之一，通过实验测定半导体材料的霍尔系数及电导率，可以判断其导电类型，即N 型半导体还是P型半导体，并且可以计算出载流子浓度及迁移率等重要参数。进一步测量半导体材料的霍尔系数及电导率随温度变化的关系，还可以得到半导体材料的杂质电离能及禁带宽度［5］等。另外，在工业、国防和科研中，例如粒子回旋加速器、受控热核反应、同位素分离、地球资源探测、地震预测和磁性材料研究等方面，经常要对磁场进行测量。测量磁场的方法很多，主要有冲击电流计法、霍尔效应法、核磁共振法和天平法等。其中霍尔效应法具有结构简单、探头体积小、测量快及可以直接连续读数等优点［6］。随着电子技术的发展，利用霍尔效应制成的霍尔器件，结构简单、寿命长、可靠性高、频率响应宽(高达10GHz)，已经广泛应用于非电量测量、自动检测控制和信息处理等很多方面［7-9］。

因此，霍尔效应测磁场实验就成为大学物理实验中一个非常常见的实验项目。目前大学物理实验中，霍尔效应实验一般是采取霍尔元件测量螺线管轴线磁感应强度的分布。通常是在长直螺线管中通以励磁电流IM ，使其内部产生磁场，采用螺旋装置通过标尺改变霍尔元件在螺线管内部轴线处的位置，测其在一定驱动电流IS 下的输出霍尔电压VH ，接下来根据公式VH = KHISB (其中KH 为霍尔元件灵敏度，为已知量)，就可计算出磁感应强度B。不过在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的霍尔元件的输出电压并不等于真实的霍尔电压VH ，而是同时包含着各种副效应引起的附加电压。根据各种副效应的产生机理，通常采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上可以将副效应的影响从测量结果中消除。具体做法是保持IS 和B(即IM )的大小不变，设定其正方向，依次测量下列四组不同方向IS 和B 组合，即(+IS ，+B)、(+IS，－ B)、(－ IS ，－ B)及(－ IS ，+ B)时

霍尔元件的输出电压，分别为V1 、V2 、V3 及V4 ，然后代入公式可得VH = 。通过这种对称测量法求得的霍尔电压VH ，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以忽略不计。

近年来，人们对霍尔效应测磁场实验进行了深入研究，提出了许多改进方法，有对实验方法、内容方法及装置进行探讨的［10-12］，也有利用计算机及相关软件进行数据处理的［13-15］。目前的实验装置仍存在以下不足:

其一，采用螺旋装置通过标尺改变霍尔元件在螺线管内部轴线处的位置，操作繁琐，定位精度不高。

其二，对称测量法一般采用双刀双掷换向闸刀来实现，实验中每一位置都需要切换四次，操作单调重复，并且容易磨损接触部件，影响实验精度。

其三，由于螺线管中的励磁电流比较大，长时间工作容易发热，按要求测量时接通，测量完毕马上断开，但学生实验中往往不注意，使螺线管一直工作，发热甚至发烫，不仅影响实验效果而且容易对仪器造成损伤。

其四，螺线管中的励磁电流比较大，霍尔元件中的驱动电流比较小，实验过程中，如果学生误将二者接错，则会烧毁霍尔元件。

为了克服现有实验装置的上述不足，本文提出一种新型霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置，获得了国家实用新型专利(专利号:2013202139．7)。该装置采用直线电机带动霍尔元件在螺线管中移动，定位准确方便，螺线管励磁电流及霍尔元件驱动电流采用数控恒流源来提供，可以方便地改变方向及大小，并且可以控制测量时间，避免螺线管发热。 1 实验装置结构图 图1 实验装置结构示意图

实验装置结构示意图如图1 所示，图中1．霍尔元件，2．螺线管，3． 连接杆，4． 位移传感器，5． 直线电机，6．导轨，7．直线电机驱动器，8．直线电机与

驱动器的接口一，9． 直线电机与驱动器的接口二，10 -13． 直线电机驱动器与主控制器之间的接口，14．主控制器与位移传感器的接口一，15．主控制器与位移传感器的接口二，16．主控制器与霍尔元件之间的电压接口一，17． 主控制器与霍尔元件之间的电压接口二，18． 数控恒流源与霍尔元件驱动电流接口一，19． 数控恒流源与霍尔元件驱动电流接口二，20．霍尔元件驱动电流检测器件，21．主控制器与霍尔元件驱动电流检测器件之间的接口，22-25．主控制器与数控恒流源之间的接口，26．数控恒流源，27．数控恒流源与螺线管励磁电流接口一，28．数控恒流源与螺线管励磁电流接口二，29．数控恒流源电流调节旋钮，30． 螺线管励磁电流与霍尔元件驱动电流切换按键，31． 数控恒流源电流显示屏，32．霍尔元件电压测量启动按键，33． 霍尔元件电压切换查询键，34． 霍尔元件电压显示屏，35． 霍尔元件位移调节旋钮，36． 霍尔元件位移显示屏，37．主控制器。

图中，在一螺线管2 轴线处设置一导轨6，导轨6 一部分位于螺线管2 内部，上面设置一霍尔元件1，可以沿导轨6 自由移动，另一部分位于螺线管2外部，上面设置一直线电机5，直线电机5 和霍尔元件1 之间通过连接杆3 相连，可带动霍尔元件1 沿导轨6 移动，连接杆3 上设置一位移传感器4，用来确定霍尔元件1 在螺线管2 中的位置。直线电机5通过直线电机与驱动器的接口一8 及直线电机与驱动器的接口二9 与直线电机驱动器7 相连，直线电机驱动器7 通过直线电机驱动器与主控制器之间的接口10 -13 与主控制器37 相连，位移传感器4 通过主控制器与位移传感器的接口一14 及主控制器与位移传感器的接口二15 与主控制器37 相连，用来检测霍尔元件1 的位置。主控制器37 上的霍尔元件位移调节旋钮35 可以设定霍尔元件1 在螺线管2 中的位置，测量时由主控制器37 通过直线电机驱动器7 控制直线电机5 运动，从而带动霍尔元件1 沿导轨6 移动至设定位置处。数控恒流源26 通过数控恒流源与霍尔元件驱动电流接口一18 及数控恒

流源与霍尔元件驱动电流接口二19 与霍尔元件1 相连，为其提供驱动电流;数控恒流源26 通过数控恒流源与螺线管励磁电流接口一27 及数控恒流源与螺线管励磁电流接口二28 与螺线管2 相连，为其提供励磁电流。数控恒流源26 通过主控制器与数控恒流源之间的接口22 -25 与主控制器37 相连，通过主控制器37 上的螺线管励磁电流与霍尔元件驱动电流切换按键30 及数控恒流源电流调节旋钮29，可以分别设定螺线管励磁电流与霍尔元件驱动电流的大小，并通过数控恒流源电流显示屏31 显示出来，具体为按键按下可设置螺线管励磁电流的大小，按键弹起可设置霍尔元件驱动电流的大小，测量时由主控制器可以使二者的方向依次改变，并且可以控制接通时间，避免螺线管长时间通电发热。霍尔元件驱动电流检测器件20 通过主控制器与霍尔元件驱动电流检测器件之间的接口21 与主控制器37 相连，一旦电流过大，则自动断开，避免霍尔元件1 烧毁。主控制器37 通过主控制器与霍尔元件之间的电压接口一16 及主控制器与霍尔元件之间的电压接口二17 与霍尔元件1 相连，测量其输出电压，通过霍尔元件电压切换查询键33 可以依次查询不同电流方向时的电压，并在霍尔元件电压显示屏34 上显示出来。 2 具体实验操作过程

(1)通过主控制器37 上的霍尔元件位移调节旋钮35 设定霍尔元件1 在螺线管2 中的位置，比如最左端，由主控制器37 通过直线电机驱动器7 控制直线电机5 运动，从而带动霍尔元件1 沿导轨6 移动至设定位置处。

(2)按下主控制器37 上的螺线管励磁电流与霍尔元件驱动电流切换按键30，通过数控恒流源电流调节旋钮29，设定螺线管励磁电流IM 的大小，并通过数控恒流源电流显示屏31 显示出来;弹起主控制器37 上的螺线管励磁电流与霍尔元件驱动电流切换按键30，通过数控恒流源电流调节旋钮29，设定霍尔元件驱动电流IS 的大小，并通过数控恒流源电流显示屏31 显示出来。

(3)按下主控制器37 上的霍尔元件电压测量启动按键32，由主控制器37 通过控

制数控恒流源26，保持IS 和B (即IM )的大小不变，设定其正方向，按对称测量法的要求，依次测量下列四组不同方向IS 和B 组合，即(+IS ，+B)、(+IS ，－B)、(－IS ，－ B)及(－ IS ，+ B)时霍尔元件的输出电压，分别为V1 、V2 、V3 及V4 ，并存贮起来，接下来再通过霍尔元件电压切换查询键33 就可以查询在不同电流方向时V1 、V2 、V3 及V4 的值，并在霍尔元件电压显示屏34 上显示出来。 (4)然后代入公式VH =，求出霍尔电压VH 。

(5)根据公式VH = KHISB(其中KH 为霍尔元件灵敏度，为已知量)，计算出此处的磁感应强度B。

(6)依次改变霍尔元件1 在螺线管2 中的位置，求出对应的磁感应强度B，就可绘制出螺线管轴线磁感应强度的分布曲线。 3 结语

本文提出一种新型霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置，该实验装置采用直线电机，定位准确方便，采用数控恒流源，可以方便地改变螺线管励磁电流及霍尔元件驱动电流的方向及大小，精确控制测量时间，避免螺线管发热，从而提高实验精度，保护实验装置，采用霍尔元件驱动电流检测器件，可以避免电流过大烧毁霍尔元件。 参考文献(References):

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