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]：

•       一. 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）

即

或

                                                   （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。

二. 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 和 的方向关系跟 是相同的，因此不能用改变 和 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