霍尔效应-龚彦晓.ppt

友情提醒 请在考勤表上登记 并按序号对号入座请保持安静 并将手机等通讯工具静音或关机请将书包和文具等用品放置到实验桌侧边的格柜里 请积极参加实验中心网站上的实验教学网络评教系统 本学期物理实验课程成绩评定 总成绩由所有实验成绩 笔试统考 预备实验加分 课程论文和班级成绩规格化因子等综合评定每个实验项目成绩由40 报告成绩 60 课堂成绩 预习 操作 态度等 综合评定缺席两次及以上 则重修 含选做实验数据教师未签字者视为缺席一周内完成实验报告 交相应报告柜 必做和选择的报告柜不同 切勿交错 防止遗失而影响成绩 实验报告上写清楚上课时间 任课教师姓名等信息 迟交 含因错交报告柜而延迟的 者 给予一定扣分 成绩优良的论文将在课程总成绩中适当加分 希望总评成绩为 优秀 的同学必须提交课程小论文 论文成绩合格方能拿优 本学期物理实验课程成绩评定 10 左右优秀 90分及以上 40 左右良好 80 89分 35 左右中等 70 79分 15 左右及格和及格以下 69分以下 成绩基本分布 课前预习基本要求 课前必须预习并完成预习报告课上检查预习情况 合格者进行实验 不合格者重新预习 明白实验目的 原理 方法设计原始数据记录表格问题与思考 实验报告基本要求 实验原理 实验步骤 实验数据处理及分析 实验后写 需详细如实记录实验过程 尽量用自己的话描述 正确计算 将所用公式写出来正确表示有效数字注意图 表的规范根据要求做好文字分析 讨论 实验结果是否合理 误差分析 实验中存在的问题及需要改进的地方 感想 意见和建议 简要原理 或定律 计算公式 必要的图 尽量用自己的话表述 霍尔效应 1 电子2 导体3 磁铁4 磁场5 电源 置于磁场中的导体 如果电流方向与磁场垂直 电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边 则在垂直于电流和磁场的方向形成电压 称为霍尔效应电场力与洛伦兹力平衡 产生的内建电压称为霍尔电压半导体的霍尔效应要强于导体 霍尔效应的发现 霍尔效应是于1879年由美国约翰 霍普金斯大学罗兰教授的二年级研究生霍尔研究金属的导电机理时发现的当时还没有发现电子 也没有人知道金属中导电的机理霍尔注意到著名的英国物理学家麦克斯韦和瑞典物理学家爱德朗在一个问题上的分岐 EdwinHerbertHall 1855 1938 霍尔效应的发现 爱德朗在1878年发表的一篇论文中明确指出 我们必须记住 作用在穿过磁力线的有电流流过的导体上的机械力 不是作用在电流上的 而是作用在流过电流的导体上的 在导体中 电流的本身完全不受磁铁接近或其他电流的影响 麦克斯韦在 电和磁 一书中写道 磁铁作用在一固定导体中的电流上 与它作用在自由移动的导体上完全相同的 霍尔效应的发现 霍尔在罗兰教授的支持下 准备用实验来回答这样一个问题 磁场对于在导线中通过的电流到底有没有影响 霍尔将这一发现以 磁铁对电磁的新作用 一文发表于当年 美国数学杂志 上 当时新闻界誉为 过去五十年中电学方面最重要的发现 著名的英国物理学家开尔文认为 霍尔的发现可以和法拉第发现电磁感应相比拟英国物理学家洛奇也曾有类似想法 但慑于麦克斯韦的权威 放弃实验 遗憾 不迷信权威 尊重科学 敢于向权威挑战 不怕失败 反复实践 坚韧不拔的精神 量子霍耳效应 霍尔效应的发展 分数量子霍尔效应 1980年 德国物理学家冯 克利青1985年的诺贝尔物理学奖 1982年 美国物理学家崔琦 劳克林 施特默1998年的诺贝尔物理学奖 量子自旋霍尔效应 美国物理学家张首晟预言 已被实验证实美国 科学 杂志评出的2007年十大科学进展之一 霍尔效应的应用 霍尔器件 测量半导体特性测量磁场磁流体发电电磁无损探伤霍尔传感器 1959年第一个商品化的霍尔器件问世1960年就发展成为近百种通用型的测量仪器 霍尔效应的基本原理 n 载流子浓度 KH 霍尔元件的灵敏度 RH 霍尔系数 只与所用材料的载流子性质有关 UH 0 电子导电UH 0 空穴导电 霍尔效应的应用 研究半导体材料的性能 1 测量载流子浓度 2 测量电导率 单位体积的电阻的倒数 迁移率表征导电材料中载流子在外电场作用下的活动能力 表示单位电场作用下载流子的平均漂移速度 测磁场 3 测量迁移率 霍尔效应中副效应的消除 不等位电势差 未加磁场时 两个测量电极也处于不同的等势面上实验中首先要调零 以消除不等为电势差 各种热电 热磁副效应 测得的电压除了霍尔电压UH外还包括厄廷豪森效应UE 里纪 勒杜克效应URL 能斯脱效应UN这些电压与工作电流I和磁感应强度B的方向有关 可以通过对称测量法进行修正 实验一 研究半导体材料的性能 先将工作电流和励磁电流调最小 以防冲击电流损坏霍尔元件打开电源 使仪器预热10 15分钟 实验仪器 电磁铁中的磁场B的大小正比于IM即B CIM C为常数 线圈上已标出 AC电极间的距离即霍尔片长l 4 00mm霍尔片宽b 4 00mm霍尔片厚d 0 50mm IM 0 7A IS从1 00 2 00mAUH IS关系测量表 测霍尔电压UH与工作电流IS的关系 绘制并分析UH IS曲线 用图解法求霍尔元件的灵敏度KH 先将IS IM调零 校准电压表显示0 00V IS 2 00mA IM从0 200 0 700mA UH IM关系测量表 2 测霍尔电压UH与励磁电流IM的关系 绘制并分析UH IM曲线 用图解法求KH 3 测量霍尔元件的电导率 霍尔元件尺寸参数 l 4 00mm b 4 00mm d 0 50mm 相关参数的单位 霍尔元件灵敏度 VA 1T 1 霍尔系数 m3C 1电导率 Sm 1载流子浓度 m 3迁移率 m2V 1sec 1线圈C常数 KGsA 1 仪器状态不变 先对毫伏表调零 取IM 0 000A IS 0 20mA 测量U 即UAC 计算半导体材料的电导率 RH n及 参量 实验二 利用霍尔效应测磁场 测试架 0 调节螺钉 线圈距离可调 2R 测试架 调节螺钉 X 200mm 200mm 测试架 调节螺钉 Y 70mm 70mm 测试架 调节螺钉 Z 70mm 70mm 测试架 紧固螺钉 调节测试探杆位置 注 当两线圈的距离为R 2时 探杆也夹持在R 2处 以此类推 测试架 提供霍尔片的工作电流IS 信号源 用于测量霍尔片的霍尔电压UH及U 调零旋钮 UH U 转换开关测UH 实验仪和测试架的转换开关均按至UH测U 实验仪和测试架的转换开关均按至U 信号源 接到实验用的励磁线圈 提供励磁电流IM 注意 实验前将IS IM调零 校准UH记录下各自测试架左上角的霍尔元件灵敏度KH 测量单个通电圆线圈1沿X轴线方向上的磁感应强度 不用对称法 Y Z 0 探杆夹持于R处 测量范围从 max到 max 每移动1cm测量一次 设置IS 5 00mA IM 0 000A 调电压表为零 消除不等位电势 IS 5 00mAIM 0 5AB X关系测量表 测量单个通电圆线圈1沿X轴线方向上的磁感应强度 不用对称法 2 测量亥姆霍兹线圈沿X轴线上各点的磁感应强度 Y Z 0 探杆位置根据两线圈间距及时更改 分别在两线圈间距为R 2R和