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霍耳效应

实验九. 霍耳效应. 实验目的 实验原理 实验仪器 实验方法与步骤 实验数据处理 注意事项 思考与练习. 实验目的. 1. 了解用霍耳效应测量磁场的原理和方法。 2. 了解霍耳器件的工作特性。 3. 测绘长直螺线管的轴向磁感应强度分布，并和理论值进行对比，以检验实验的精度和巩固理论知识。. 实验目的. 简介 霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔 1879 年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

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霍耳效应

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Presentation Transcript

  1. 实验九 霍耳效应 • 实验目的 • 实验原理 • 实验仪器 • 实验方法与步骤 • 实验数据处理 • 注意事项 • 思考与练习

  2. 实验目的 1. 了解用霍耳效应测量磁场的原理和方法。 2. 了解霍耳器件的工作特性。 3. 测绘长直螺线管的轴向磁感应强度分布，并和理论值进行对比，以检验实验的精度和巩固理论知识。

  3. 实验目的 简介 霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。 根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。 通过该实验可以了解霍尔效应的物理原理以及把物理原理应用到测量技术中的基本过程。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。

  4. y x z B VH Is + + Is + EH d 半导体片 实验原理 1. 霍耳效应法测磁场的原理。 通以电流Is的半导体片在磁场B中会产生横向电压Vh，称为霍尔效应。 VH=KHIsB KH称为霍尔元件的灵敏度，它是一个重要参数， 表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用时霍尔电压的大小。

  5. 实验原理 2.VH的测量方法 VH=1/4（|V1|+|V2|+|V3|+|V4|） +Is +B V1 -Is +B V2 -Is -B V3 +Is -B V4 3.载流长直螺线管内的磁感应强度 B=μ0nIM

  6. 4 e 1 2 c 3 实验原理 在霍尔效应建立的同时还会伴有其它附加效应的产生，在霍尔元件上测得的电压是各种附加电压叠加的结果。附加电压：不等位电势、厄廷毫森效应、能斯特效应和里纪-勒杜克效应，它们相应的电压的正负与工作电流I和磁感应强度B的方向有关。 1.不等位电势 不等位电势是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧，如图所示。因此，当电流IH流过霍尔元件时，在电极3、4间也具有电势差，记为 V0，其方向只随IH方向不同而改变，与磁场方向无关。 2.厄廷毫森效应 1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯度。因而产生温差效应，形成电势差，记为VE，其方向决定于IM和磁场B的方向，并可判断VE和VH同向。

  7. 4 e a 1 2 b c 3 实验原理 3.能斯特效应 由图所示由于输入电流端引线a、b点处的电阻不相等，通电后发热程度不同，使a和b两端之间出现热扩散电流，在磁场的作用下，在c、e两端出现横向电场，由此产生附加电势差，记为VN。其方向与IM无关，只随磁场方向而变。 4.里纪-勒杜克效应 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似与厄廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度，产生附加电势差，记为VRL，其方向只与磁场方向有关，与VH同向。

  8. 实验原理 根据以上副效应产生的机理和特点，除厄廷豪森副效应外，其余的都可利用异号测量法消除影响，因而采用对称测量法，即需要分别改变IM和B的方向，测量四组不同的电势差，然后做适当数据处理，而得到VH。 VH=1/4（|V1|+|V2|+|V3|+|V4|） 一般可忽略不计VE，

  9. 励磁电流 工作电流 实验器材 HZK-2型霍尔元件测螺线管磁场仪一套 仪器主机示意图

  10. 实验器材 螺线管测试仪装置示意图

  11. 实验方法与步骤 1. 接线：正确连接测试仪和实验台之间相应的Is、VH和IM各组连线（即三根红线和三根黑线）。 注意：决不允许将IM误接到霍耳元件上。 2. 将霍耳元件移到螺线管中心。 测绘VH—Is曲线， IM=0.80A，依次调节Is。 测绘VH—IM曲线，Is=8.00mA，依次调节IM。 3. 测绘螺线管轴线上磁感强度的分布VH-X曲线，完成表格。注意：位置长度变化要能反映出磁场的边缘效应。

  12. 数据处理 1. 相关数据 N、L、KH—标写在相应的仪器上。 2. 绘出相应的三条曲线。 3. 由下式计算出螺线管中部的B，然后与理论值B0比较，求出相对误差。

  13. 数据处理

  14. 实验注意事项 1.接线时切不可将工作电流IS、IM接反，否则将损害仪器。 2.改变励磁电流方向前，请将励磁电流减小到0，换向后再恢复到0.8A，否则会损坏励磁电流源。 3.为保证霍尔电压的测量精度，量程选在20mV。

  15. 思考与习题 1.如何判断半导体霍尔元件的导电类型？ 2.计算霍尔元件的载流子浓度霍尔元件都用半导体材料制成而不用金属材料，为什么？ 3.为提高霍尔元件的灵敏度你将采用什么办法？ 4.本实验怎样消除副作用的影响？ 5.还有什么实验中采用类似方法去消除系统误差？ 6.根据测量数据研究UH-I的关系，并用作图法求出磁感应B的大小

  16. 思考与习题 7.若磁感应强度与霍耳器件平面不完全正交，按下式计算出的磁感应强度比实际值大还是小？

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