霍尔效应测量空间磁场分布.doc

霍尔效应法测量空间的磁场实验者 同组实验者： 指导教师：鲁晓东【摘要】：测量某霍尔片的性质时，为了消除副效应对实验结果的影响，通常采用“对称测量法”在现实生活中，如果直接测量某磁场的分布状况是很困难的，但利用霍尔效应电压与磁场的线性关系，通过测量元件两端的电压就可轻松得知空间某区域的磁场分布。【关键词】：霍尔电流、霍尔电压、对称测量法、磁场分布。1、 引言 霍尔效应是磁电效应的一种。置于磁场中的载流体，当其电流方向与磁场垂直，在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。 2、 设计原理1.霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。在试样中通以电流时，由于正负电荷受力方向相反，则在两极可以积累偏转电荷，产生电压即形成电场，又知电荷所受电场力与洛仑兹力方向相反，当两者动态平衡时有：所以又可得出 （1）其中VH为霍尔电压，B为外磁场，d为霍尔片厚度；SH为霍尔系。其物理意义是：在恒定霍尔电流情形下，VH与B是成正比的。在实际应用中，一般通过VH来研究B的分布或VH通过来研究SH即材料的特性。值得注意的是，在产生霍尔效应的同时，因伴随着各种副效应，以致实验测两极间的电压并不等于真实的霍尔电压VH值，而是包含着各种副效应所引起的附加电压VE 、热磁效应直接引起的附加电压VH 、热磁效应产生的温差引起的附加电压VRL。这可以通过IH和B幻想对称测量法予以消除。设定电流和磁场的正方向，分别测量由和组成的四个不同方向的组合（即“+IH +B”、“+IH -B”、“-IH +B”、” -IH -B”）求以上四组数据V1、V2、V3、V4的代数平均值，可得 由于符号VE与IH、B两者方向关系和VE是相同的，故无法消除，但在电流IH和磁场B较小时,VHVE因此可略不计，所以霍尔电压为 （2） 2霍尔系数SH与其它参数间的关系根据SH可进一步确定以下参数：图25-1霍尔片示意图（）由SH的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。判别的方法是按如图25-1所示的IH和B的方向，若测得的VH VE，因此VE可略去不计，所以霍尔电压为 （25-8）通过上述的测量方法，虽然还不能消除所有的副效应，但其引入的误差不大，可略而不计。 3.HL-II型霍尔效应实验仪HL-II型霍尔效应实验仪的接线和面板图如图25-6和25-7所示，其主要技术指标：（1）励磁恒流源IM输出电流：01A，连续可调，调节精度为0.001A，电流稳定度优于0.1%。 电流指示：三位半发光管数字显示，精度不低于0.5%。（2）霍尔元件工作恒流源IH输出电流：020mA，连续可调，调节精度为0.01A，电流稳定度优于0.1%。 电流指示：三位半发光管数字显示，精度不低于0.5%。（3）直流数字毫伏表测量范围：20.0mV，三位半发光管数字显示，精度不低于0.5%。图25-6 HL-II型霍尔效应实验接线图图25-7 霍尔效应磁场测定仪面板图1.Is(或IH)输出 2.VH输入 3. Is调节 4. 测量选择 5. IM调节 6.IM输出 7.开关.3、 设计方案1掌握仪器性能，连接测试仪与实验仪之间的各组连线（1）开机前，测定仪电源的“IH电流调节”和“IM电流调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）。（2）连接好线路之后，将三个换向开关掷向任一侧，并把这一方向定为IH、VH和IM的正方向。（3）接通电源，预热数分钟，置“测量选择”于IH档，电流表所示的值即随“IH电流调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为010mA。此时电压表所示读数为“不等势”电压V0值，它随IH增大而增大，IH换向，V0极性改号，说明IH输出和输入工作正常。电流表显示“.000”(单位为A，当按下“测量电流选择”键选择IM时)或“0.00”（单位为mA，当放开“测量电流选择”键选择IH时），电压表显示为“00.0”（单位为mV）。（4）最后将实验仪的各换向开关恢复到原来一侧；测定仪电源的“IH电流调节”和“IM电流调节”旋钮均恢复到零位。2测绘VHIH曲线将霍尔片置于电磁铁缺口中心处，保持IM值不变，改变IH的值，分别测出四种状态下的霍尔电压。将实验测量值记入表中，绘出VHIH曲线。3、测单边X方向磁场分布将霍尔片置于电磁铁Y方向中心，IH和IM都固定不变，测量X方向磁场分布VHX曲线。由于磁场分布的对称性，测量不小于二分之一范围即可。4、测单边Y方向磁场分布将霍尔片置于电磁铁X方向中心，IH和IM都固定不变，测量Y方向磁场分布VHY曲线。由于磁场分布的对称性，测量不小于二分之一范围即可。4、 实验结果与分析 1、实验条件室温= 26 N型霍尔片的厚度d= 0.10 mm线径= 0.67 mm 线圈匝数N= 1500 匝 V0= 0.3 mV SH= 3.3 mV/mAKG Rin= 169 欧姆 Rout= 173 欧姆 2、数据记录表 表1单边X的方向磁场分布数据记录表（测磁场） IM= 2.84 m A IH= 3.00 mAX（mm） VH(mV)B(T)+B,+ I+B, -I-B, -I-B,+ I188.19-8.4111.90-12.1310.16218.17-8.4011.89-12,1210.15258.16-8.3811.88-12.1110.13288.15-8.3711.86-12.0710.11308.12-8,3511,84-12.0710.10338.10-8.3311.84-12.0610.08358.09-8.3211,83-12.0410.07388.07-8.3011.79-12.0210.05408.05-8.2811.77-11.9910.02438.03-8.2611.75-11.9610.00458.01-8.2511.73-11.929.98477.97-8.2311.70-11.899.95487.95-8.1911.68-11.879.92506.56-6.8710.55-10.658.66525.78-6.029.51-9.747.76由公式（25-8）的出U1U15的数据，记录结果见表格IRH=3.32.84=9.37 mm*mV /mAKG由B=UH/IRH 由公式和仪器提供的SH值可求出在X= mm处，B= KG。 EB=2%（即根据本仪器的稳定性估计的），E=2% 则B=BW(1E)= KG已知真空磁导率 0=12.5610-7H/m所以根据公式B= 这与实验结果B=若不采用对称测量法，则实验所测出的VH图中的任意一组，现在以V1为代表计算B的值与B和B0进行对比。其k=4.0020，代入公式中求得：B= T.这与理论值相比误差 ，所以用对称法消除误差是很有必要的。3.定性分析： 测量过程中，1H和1M电流调节过程中不能调零，导致存在一定的仪器误差； 装置的预热时间和平衡也