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磁铁与霍尔开关的应用及实验

 磁铁与霍尔开关器件特性及应用实验

                                                                                                                                                                                                         

1.掌握霍尔元件的工作原理,了解霍尔开关集成电路的特性                                                                及其主要参数和应用.

•            2. 测量风扇在不同工作电压下的转速,并描绘出速度与电压的曲线.

[实验仪器]:

   霍尔开关集成电路,电压,风扇,导线等

[实验原理]:

•       . 霍尔元件及霍尔开关集成电路的工作原理

一块长方形金属薄片或半导体薄片,若在某方向上通入电流IH,在其垂直方向上加一磁场B,则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电位差UH,这个现象称为“霍尔效应”。UH称为“霍尔电压”。霍尔发现这个电位差UH与电流强度IH成正比,与磁感应强度B成正比,与薄片的厚度d成反比,即式中RH叫霍尔系数,它表示该材料产生霍尔效应能力的大小。

霍尔电压的产生可以用洛伦兹力

如图1所示,将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片(霍尔片)放置在磁场B中,磁场B沿Z轴正方向。    

当电流沿X轴正方向通过半导体时,若薄片中的载流子(设为自由电子)以平均速度 沿X轴负方向作定向运动,所受的洛伦兹力为

                             (2)

在fB的作用下自由电子受力偏转,结果向板面“I”积聚,同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场,使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时,也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度,UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差(即霍尔电压),则

                                                (3)

fE将阻碍电荷的积聚,最后达稳定状态时有

                                                          (4)

                                                   (5)

设载流子浓度为n,单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面,则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为

                                   (6)

将(6)式代入(5)式得

                                               (7)

式中 即为前述的霍尔系数RH。

考虑霍尔片厚度d的影响,引进一个重要参数KH, ,则(5)式可写为

                                           (8)

KH称为霍尔元件的灵敏度。

. 利用霍尔传感器测转速的结构原理

利用霍尔传感器测转速的结构原理,如图3所示它实际是利用霍尔开关测转速。待测物上粘粘一对或多对小磁刚(N、S磁极),小磁钢越多,分辨率越高。霍尔开关固定在小磁刚(N、S磁极)附近。待测物以角速度旋转时,每当一个小磁钢(N极或S极)转动经过霍尔开关集成电路时,霍尔开关集成电路便产生一个相应的(正或负)脉冲。检测出单位时间内的脉冲数及其长度,即可确定待测转动物体的转动周期T及其转速n,即

                  n=1/T

若N极经过霍尔开关,其输出电压为正,则S极经过霍尔开关,其输出电压为负;反之,亦然。所以N极穿过霍尔开关产生正脉冲,S极穿过霍尔开关产生负脉冲,每经过一对N、S极,就出现一个完整的正弦波或一对正、负方波。转一周有多少个N、S极,就有多少个正、负方波,转一周所产生的正负方波总长度,即是电机的转动周期T(如图4所示)。

将霍尔开关输出的方波信号输入示波器,就可以在示波器上显示出来。将其通过模数转换器输入到计算机,就可以很反便利用计算机进行实时的检测,并进行各种数据与曲线处理。

【内容及步骤】

 

按图接好线路,调整电机电压从0-10V,再从10-0V,每隔1V测一个转速;

 

将数据逐一填入实验表格。

V(v)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t/格(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T(s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N(转/秒)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

【数据表格与数据处理】

1)      根据公式一,按表处理数据,其中T=(T1+T2)/2。

2)      作转速――电压曲线。

【设计并制作一个测速度和里程的装置(速度表或里程计)】

                              测速度和里程装置

                                            N~U曲线

霍尔器件中的副效应及其消除方法

1.不等势电压
这是由于测量霍尔电压的电极A和A/位置难以做到在一个理想的等势面上,因此当有电流 通过时,即使不加磁场也会产生附加的电压 ,其中r为A、A/所在的两个等势面之间的电阻(如图32-3 所示)。 的符号只与电流 的方向有关,与磁场B的方向无关,因此, 可以通过改变 的方向予以消除。

     

2.温差电效应引起的附加电压

如图32-4所示,由于构成电流的载流子速度不同,若速度为 的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场力的作用刚好抵消,则速度大于或小于 的载流子在电场和磁场作用下,将各自朝对立面偏转,从而在Y方向引起温差 ,由此产生的温差电效应。在 电极上引入附加电压 ,且 ,其符号与 的方向关系跟 是相同的,因此不能用改变 方向的方法予以消除,但其引入的误差很小,可以忽略。

             

3.热磁效应直接引起的附加电压

因器件两端电流引线的接触电阻不等,通电后在接触点两处将产生不同的焦尔热,导致在X方向有温度梯度,引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流。热流 在Z方向磁场作用下,类似于霍尔效应在Y方向上产生一附加电场 ,相应的电压 ,而 的符号只与 的方向有关,与 的方向无关。因此可通过改变 的方向予以消除。

4.热磁效应产生的温差引起的附加电压

如上所述的X方向热扩散电流,因载流子的速度统计分布,在Z方向的 作用下,和2中所述同理将在Y方向产生温度梯度 ,由此引入的附加电压 的符号只与 的方向有关,亦能消除之。                

霍尔元件已应用范围及展望

现在霍尔元件的应用范围主要是制作传感器应用与检测等方面。

可设计制作高斯计

测量磁场分布

可以在单摆测量重力加速度g,在三线摆测转动惯量I中用作传感器
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