大学物理实验 霍尔效应测量磁场 北京工业大学 王吉有

1. 大学物理实验霍尔效应测量磁场北京工业大学 王吉有

2. 内容介绍 • 1，背景介绍 • 2，实验目的 • 3，实验原理 • 4，仪器介绍 • 5，实验内容 • 6，注意事项 • 7，数据处理要求 • 8，思考题 • 9，相关知识

3. 一、背景介绍 • 霍尔效应是美国物理学家霍尔1879年发现的。 • 根据霍尔效应原理制备的霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上，霍尔器件是一种磁传感器，它具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

4. 直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性（磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中的磁场），无刷电机、无触点开关，接近开关、霍尔电键。直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性（磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中的磁场），无刷电机、无触点开关，接近开关、霍尔电键。 • 经二次或多次转换，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制 .

5. 实验目的 • （1）了解霍耳效应实验原理以及有关霍耳器件对材料要求的知识。 • （2）学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的VH-IS和VH-IM曲线。 • （3）确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。

6. 三、实验原理 • 霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍耳电场 。由此形成的电压称为霍尔电压。

9. N型半导体： • q=-e, 电子运动方向与电流相反。 • 磁场： • 霍尔电场： • 内力平衡：

10. 设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则：设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则：

11. 只要测出 VH（V）[有正负]； Is（A）[测量是设定的]、 d（m）[实验室给出]；B（特斯拉T）[线圈电流IMX磁场系数/10000{每个仪器线圈上都有，各不相同},因为1T=10000Gs]。 • 可计算霍尔系数RH（ m3/c=立方米／库仑）：

12. 样品的导电类型对霍尔电压的影响 • 由RH的符号（或霍尔电压的正、负）判断: • 若测得的VH=VAA，＜0，（即点A的电位低于点A，的电位）则为负，样品属N型，反之则为P型。

13. 由RH求载流子浓度n • 即应该指出， • 这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的。 • 表明掺杂的浓度

14. 载流子的迁移率μ • 结合电导率的测量，求电导率σ与载流子浓度n以及迁移率μ之间有如下关系 • μ=σRH

15. 实验中的负效应 • 在产生霍耳效应的同时，因伴随着各种副效应。 • 1.不等势电压（电极位置上下不一致） • 2.热磁效应的直接附加电压（两电极电阻不等，发热不同）。 • 3.热磁效应的热效应的附加电压

16. 消除负效应的办法 • 采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能把副效应的影响从测量结果中消除.

17. 四、实验仪器 • TH-H型霍耳效应实验组合仪

18. 五、实验内容 • 1，开、关机前，测试仪的“调节”和“调节”旋钮均置零位。 • 2，接通电源，预热数分钟。 • 3，保持磁场电流IM＝0.600A不变，改变电流Is,测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-IS曲线 。 • 4，保持电流IS＝3.00mA不变，改变电流IM,测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-IM曲线 。

19. 5，测量霍尔片上的电压降（水平方向）Vσ 。 • 6，确定霍尔样品的导电类型 。 • 7，求样品的

20. 六、注意事项： • 1.电流和磁场的正负： • 闸刀向上合时，电流和磁场的为正。 • 2.测量A、C间的电位差Vσ时，中间闸刀要向下合。 • 3.注意纪录线圈的磁场系数。 • 4.Is和IM的读数时，要注意对应的按钮开关。

21. 七、数据处理要求

22. 3，保持磁场电流IM＝0.600A不变，改变电流Is,测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-IS曲线 。 4，保持电流IS＝3.00mA不变，改变电流IM,测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-IM曲线 。

23. 5，在计算时，要写出公式，代入数据，按有效数值运算法则进行。保留合理的有效数字位数。5，在计算时，要写出公式，代入数据，按有效数值运算法则进行。保留合理的有效数字位数。 • 6，所有计算出物理量到要有单位。

24. 八、思考题 • 1，霍耳电压是怎样形成的？ • 答：霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，正负电荷之间的电位差即为霍尔电压。

25. 2，如何观察不等位效应？如何消除它？ • 答：这是由于测量霍耳电压的电极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V0＝ISr，其中r为A、A'所在的两个等势面之间的电阻。 V0的符号只与电流的方向有关，与磁场的方向无关，因此，可以通过改变的方向予以消除。

26. 3测量过程中哪些量要保持不变？为什么？ • 答：实验中要求选定某些供电电流恒定外，还要保持霍尔片与供磁线圈的相对位置不变 。 • 位置与磁场强度有关。电流IS和位置的变化都会使霍尔电压发生改变。

27. 4，换向开关的作用原理是什么？测量霍耳电压时为什么要接换向开关？4，换向开关的作用原理是什么？测量霍耳电压时为什么要接换向开关？ • 答：改变磁场的方向或改变霍尔电流的方向，目的：消除不等势电压，消除热磁效应直接引起的附加电压，消除热磁效应产生的温差引起的附加电压。

28. 5）可否用交流电源给霍尔片供电？为什么？ • 答：霍尔电流的改变会引起霍尔电压方向的改变，如使用交流电源，测量到的霍尔电压也是交流电压，这样无法判断载流子的种类。

29. 九、相关知识 • 1，霍尔效应测量磁场 • 将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。

30. 手持式高斯计

31. 502型霍尔效应位移操纵杆

32. 汽车上广泛应用的霍尔器件有： • 在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

33. 霍尔效应简介 普通霍尔效应： 1879年物理学家霍尔(Hall) 一般温度和磁场强度下。 利用经典力学中力与电磁场间的关系知道，磁场愈大霍尔电阻愈大， 它们是成简单的线性关系

34. 整数量子霍尔效应 • 1980年德国科学家冯克立津(Klaus von Klitzing)等人。 • 并在「低温」和「强磁场」的条件下 • 霍尔电阻对磁场呈现非线性之规律性阶梯变化 。 • 平台处的霍尔电导(霍尔电阻之倒数)值是一个简单的整数(1,2,3,…)乘上一个基本的电导单位

35. 量子霍尔效应 这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。

36. 分数量子霍尔效应 • 1982年崔琦(Daniel C. Tsui)和史德莫(Horst L. Störmer)在麻省理工学院。 • 1998年获得诺贝尔奖。 • 发现霍尔电导平台不但于填充因子为简单整数时会出现(见图二)，而且在简单分数(1/3, 2/3, 2/5, 4/5, 1/7,…)时也会出现。

37. 分数量子霍尔效应 华裔诺贝尔获奖者==崔琦