磁場測定器の作成
１． ホール効果による強磁場測定の実験： ネオジム磁石取扱注意
（１） 銅箔によるホール効果の測定：
導体・半導体の 直方体に切り出した試料の、厚み方向に磁場 B （磁束密度）をかけ、鉛直方向に 電流 I を流すと、その幅方向に電位差 VH を生じる。 この現象をホール効果と呼び、電荷のキャリア密度（＝電子、空孔の密度）が低いほど その効果（＝ホール係数 R）が大きくなる傾向にある。
まず、強い磁場で 比較的その強度分布が安定している、ネオジム磁石（９５×４５×６ｍｍ、若松通商・１３年前）を ４枚ずつ重ね（軍手をして、間にアクリル板を挟んで注意深く行う）、互いに向い合せ（間隔１０ｍｍ）、固定した物を作り、その中にセンサを入れて測定する。 センサは、プリント基板をエッチングして作成した 銅箔（片面基板のＣｕ厚み ａ ＝ ３５μｍ）を用いた。 幅 ｂ ＝ １０ｍｍ、トータル長さ １００ｍｍ、幅方向の電極の一方は ２つに分けて、電流を通した時の電圧不均衡を補正する。
銅のホール係数は文献値により ＲCu ＝５．５×１０-11（ｍ3/Ｃ）なので、 Ｖ（Ｖ） ＝ ｂＥ ＝ ｂ・ｖＢ ＝ （１/（ｑ・ｎ））・ＢＩ/ａ） ＝ Ｒ・ＢＩ/ａ （ｎ：キャリア密度、/ｍ3）より、 電流を ５（Ａ）流し、Ｂ ＝ 数千ガウス としても、数μＶ程度にしかならないので、低オフセット・オペアンプを使って１０００倍に電圧増幅して、デジタルテスター（最小０．１ｍＶ）で測定することにした。 ±９V電源はレギュレーター２段で落として安定化した。
I＝５（A）の電流は、４１．１ の可変電源を用い、４００W１Ω（メタルクラッド１００W０．２５Ω×４）の抵抗を通して供給した。
測定は、① テスト電圧源の約３．１μＶを計り（３１μＶ、３１０μＶは高めに出るので使わない）、倍率ＶＲ（２００ｋΩＶＲ）を合わせる。
② 入力を短絡し、オフセット調整する（５００ΩＶＲ）。
③ Ｃｕセンサにつなぎ（磁場をかけないで）電流を流して、バランス調整をする（１０ΩＶＲ）。（バランス調整の ３３＋１０は、出来合いの追加抵抗）
④ 後は、（電圧が微弱で狂いやすいので、）測る毎に バランス調整とオフセット調整をする。 ドリフトがかなりある。
測定結果は、I ＝ ５．０（A）流して、縦方向 ｈ ＝ センター±３ｃｍで ４．５～４．６（μＶ）、 平均 ４．６（μV） だった。 ∴ 計算により、磁束密度 Ｂ ＝ Ａ・Ｖ/（ＲCu・Ｉ） ＝ ３５×１０-6（ｍ） × ４．６×１０-6（Ｖ） /（５．５×１０-11（ｍ3/Ｃ） × ５．０（Ａ）） ＝ ０．５９ （Ｔ、テスラ） ＝ ５９００（Ｇ、ガウス） 程度となった。
＊ １０（T）までは、均一磁場ならばプロトンの核磁気共鳴周波数で、それ以上の超強磁場測定は、唯一 「ファラデー効果」により測られる。 因みに中国製のネオジム磁石は概して着磁が弱い。
（２） ゲルマニウム片による測定：
手持ちのゲルマニウム・インゴット（９９．９９９％）から、ダイヤモンド糸鋸で切り出し、サンドペーパーで研磨して、１９×８×２ ｍｍ程度の試料（厚み ａ ＝２ｍｍ）を作成する。 ステンレスハンダ用のフラックスを少量付け、ヤニなしハンダで点状に予備ハンダして、（フラックスを落とすために）水洗する。
これを両面基板を加工したものにハンダ付けし、配線してから、（ゲルマニウムはもろいので、磁石が強い力で当たっても壊れないように、）アクリル板保護カバーを付ける。
このセンサは、出力がｍＶ台と 大きいので、アンプなしにそのままデジタルテスターで測定する。
① ３Ｖ電池と電流計をつなげ電流を流し（４．２ｍＡ）、磁場なしでセンター値のずれを確認する。（磁場なしで １３．５ｍＶ）
② （１）のネオジム４枚重ねの磁極に入れ、同様に ホール電圧を測定する。（２７．１ｍＶ） 測定結果は、 Ｖ ＝ ２７．１ － １３．５ ＝ １３．６ （ｍＶ）
③ （１）の磁極の磁束密度は ０．５９ （Ｔ） なので、 このゲルマニウム片のホール係数 ＲGe（ｍ3/Ｃ） と キャリア密度 ｎ（/ｍ3） を求めると、
ＲGe ＝ ａＶ/（ＢＩ） ＝ ２×１０-3（ｍ） × １３．６×１０-3（Ｖ） / （０．５９（Ｔ） × ４．２×１０-3（Ａ）） ＝ １．１ ×１０-2 （ｍ3/Ｃ）
→ 補正値＊（×０．７） ７．７×１０-3 （ｍ3/Ｃ）
ｎGe ＝ １/ｑＲGe ＝ １/（１．６×１０-19（Ｃ） × ７．７×１０-3（ｍ3/Ｃ）） ＝ ８．１×１０20（/ｍ3）
∴ キャリア密度が小さいほど ホール係数が大きくなる傾向にある。
＊ 新潟県教育センターの実験（１９８８年）では、さらに、アンチモン（５価）とインジウム（３価）を原子数比で０．００１ａｔ％ドープして、ホール係数を測定している。 磁場発生には電磁石を用い、この結果では、銅、アルミは 約０．８（T）以上まで、ゲルマニウムでは 約０．３（T）まで、B ｖｓ ＶHの直線性があり、それ以上では飽和して徐々に曲がっていく。 純ゲルマニウムは０．３（T）を超えるあたりから曲がり始め、ゲルマニウムはこの曲線より推定して補正する。（＊ ０．６（T）で、７０％くらい） インジウムをドープしたゲルマニウムはさらに低く ０．２（T）から曲がる。
このゲルマセンサと （１）の銅センサを使って、一枚のネオジム磁石（９５×４５×６ｍｍ）の表面磁場分布を調べると、薄くて平べったいのでかなりムラが出て、端が強く中央部が弱い。（重ねると均一に近づく。）
磁石の表面・中央部の測定値は、 ゲルマセンサ（補正値）で ０．１６（T）。
２． ホール素子による磁気メータ（ガウスメータ）の作成：
中～強磁場の磁場計測装置は、簡単に手に入る素子で ２０００ガウス（０．２テスラ）まで直線的に ホール電圧 VH を出力するものとして、昔からあるTHS１１９ が最も手頃となる。（弱磁場測定用の素子は近年多く出されている。）
VH－Iｃ、 ＶＨ－Ｂ は ２０００Ｇ以下の全範囲で直線なので、端子の１、３に約５ｍAのバイアス電流を流し １０００（G）（０．１（T））の磁場をかけると、２、４に約８０ｍVを出力するので、電圧増幅率 G＝１０００ｍV/８０ｍV ＝ １２．５倍に電圧増幅すると、ｍVの読みが そのまま ガウス単位になる。 実際は２４倍程度にして、PIC内で数値を調整する。
アンプは、４V以上に振るため、フルスィング・オペアンプの NJM２７３４D （オペアンプ４個入り）を用いた。 （計装アンプは、入力が大きすぎて アンプの方で飽和するので、使えない。）
ホール素子の出力は、プラス側とマイナス側に分けてそれぞれ差動アンプで増幅し、PICのアナログピン（ＡＮ８、ＡＮ９）にそれぞれ入れてＡＤ変換し、±の表示ができるようにした。
増幅率の調整は、ヘルムホルツ・コイルは弱すぎ、また基準磁界は高価であるため、THS１１９の規格表の VH－Iｃ、 ＶＨ－Ｂ の直線性を利用してプロットして行なった。
調整法は、① ホール素子に、５ｍＡのバイアス電流をかける。 （図の５００ΩのＶＲはブロードなので、３００Ωの抵抗に固定しても良い。）
② 次に、磁場無しで、アンプ出口のAN8、AN9の電圧を測り、両方が同じような値になるように零調ＶＲを回して調整する。（AN8、AN9共、７４ｍV位） それから、素子の２－４間のホール電圧 VH を測っておく。（⊿VH＝３．５ｍV位） これは測定系全体のヒステリシス分となる。（０にはならない → プログラムで０にする）
③ １枚か２枚のネオジム磁石を使って複数の適当な磁界をかけ、２－４間のVH を測り（測定値 ± ⊿VH（３．５ｍV））、同じ磁場で AN8、または AN9 のアナログ出力を測り、規格表のグラフから読み取った値にVRを調整して、グラフにプロットする。 ２回目以降はそのまま測ってプロットする。 結果は、２０００（G）以下で この測定系は十分 直線的に増幅する事を確認した。 （１．（１）の４枚ネオジム磁石×２は強すぎて、ギャップの入り口で５．０５V（＝電源電圧）に飽和して 測定不可だった。）
PICプログラム（ＰＩＣ１８Ｆ１４ｋ５０）： lib_adc：