[实用新型]一种霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种霍尔效应法测量螺线管轴线磁感应强度的实验装置。

背景技术

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。

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。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。

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I_M，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I_S下的输出霍尔电压V_H，接下来根据公式V_H=K_HI_SB(其中K_H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V_H，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I_S和B(即I_M)的大小不变，设定其正方向，依次测量下列四组不同方向I_S和B组合，即(+I_S，+B)、(+I_S，-B)、(-I_S，-B)及(-I_S，+B)时霍尔元件的输出电压，分别为V₁、V₂、V₃及V₄，然后代入公式可得通过这种对称测量法求得的霍尔电压V_H，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。

目前的实验装置主要存在以下不足：

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。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型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。