高中物理奥林匹克竞赛实验考核——霍尔效应及磁场的测量ppt课件

1、霍尔效应及磁场的丈量霍尔效应及磁场的丈量Edwin Hall18551938 霍尔效应是霍尔霍尔效应是霍尔 (Hall)24 (Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研讨生期岁时在美国霍普金斯大学研讨生期间，研讨关于载流导体在磁场中的间，研讨关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种景象。受力性质时发现的一种景象。 在长方形导体薄板上通以在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种景象称为霍向上产生电势差，这种景象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔尔效应，所产生的电势差称为

2、霍尔电压。电压。背景引见背景引见霍尔效应霍尔效应量子霍尔效应量子霍尔效应 长时期以来，霍尔效应是在室温暖中等强度磁场条件下进展实验的。1980年,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)发如今低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈腾跃性的变化，这种腾跃的阶梯大小由被整数除的根本物理常数所决议。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。背景引见背景引见分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应u高纯度半导体资料u超低温环境：仅比绝对零度高非常之一摄氏度约273u超强磁场：当于地球磁场强度100万倍背景引见背景引见崔琦R

3、obert LaughlinHorst Stormer构造出了分数量子霍尔系统的解析波函数1998年的诺贝尔物理学奖分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应实验原理实验原理u景象景象 霍尔效应霍尔效应 在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种景象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。种景象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。u实际分析实际分析磁场中运动载流子受洛伦兹力作用磁场中运动载流子受洛伦兹力作用电荷聚集构成电场电荷聚集构成

4、电场电场力与洛伦兹力电场力与洛伦兹力到达平衡，构成稳到达平衡，构成稳定电压定电压UHBfSIvbdEfHUbUqBqHv又思索到又思索到(n为载流子浓度为载流子浓度)dbnqISv实验原理实验原理bUqBqHvdBInqUSH1BIKUSHH即：即：埃廷斯豪森效应埃廷斯豪森效应ExzP型半导体+_温度低温度高Jx zN型半导体EyJx_+温度低温度高 zEy 霍尔效应中的负效应E方向与I和方向有关。由于资料中载流子的速度不同，在磁场的作用下，载流子的偏转半径不同，从而在y轴方向产生温度梯度，由此温度梯度构成的温差电动势为埃廷斯豪森电压。能斯特效应能斯特效应沿x方向通以电流，两端电极与样品的接触

5、电阻不同而产生不同的焦耳热，致使x方向产生温度梯度，这一温度梯度引起一附加的纵向热分散电流，在磁场的作用下，从而在y轴方向产生横向电位差，为能斯特电压。NxzN方向只与方向有关。 霍尔效应中的负效应霍尔效应中的负效应里吉里吉-勒迪克效应勒迪克效应纵向热分散电流，在磁场的作用下，从纵向热分散电流，在磁场的作用下，从而在而在y y轴方向产生横向温差，这一横向轴方向产生横向温差，这一横向温差又引起横向电位差，为里吉温差又引起横向电位差，为里吉- -勒迪勒迪克电压。克电压。RLxzRLRL的方向只与的方向有关。的方向只与的方向有关。 霍尔效应中的负效应不等位效应不等位效应0 xR0制备霍尔样品时制备霍

6、尔样品时, y, y方向的丈量电极很难方向的丈量电极很难做四处于理想的等位面上，即使在未加磁做四处于理想的等位面上，即使在未加磁场时，在、两电极间也存在一个由于场时，在、两电极间也存在一个由于不等位电势引起的欧姆压降不等位电势引起的欧姆压降0 0U0U0的方向只与的方向只与IxIx的方向有关。的方向有关。 霍尔效应中的负效应 霍尔效应中负效应的消除u埃廷斯豪森效应埃廷斯豪森效应 E E 方向与方向与I I和方向有关。和方向有关。u能斯特效应能斯特效应 N N方向只与方向有关。方向只与方向有关。u里吉里吉- -勒迪克效应勒迪克效应 RLRL的方向只与的方向有关的方向只与的方向有关u不等位效应不等

7、位效应 U0 U0的方向只与的方向只与I I的方向有关。的方向有关。u负效应的消除：改动负效应的消除：改动I I和和B B的方向，即对称丈量法。的方向，即对称丈量法。u+B,+I, +B,+I, 测得电压测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0U1=UH+UE+UN+URL+U0u+B,-I, +B,-I, 测得电压测得电压U2=-UH-UE+UN+URL-U0U2=-UH-UE+UN+URL-U0u-B,-I, -B,-I, 测得电压测得电压U3=UH+UE-UN-URL-U0U3=UH+UE-UN-URL-U0u-B,+I, -B,+I, 测得电压测得电压U4=-UH-UE-UN-UR

8、L+U0U4=-UH-UE-UN-URL+U0uUH=UH=U1-U2+U3-U4)/4-UE U1-U2+U3-U4)/4-UE u忽略忽略UE UE 那么那么UH=UH=|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4 霍尔传感器的运用霍尔传感器的运用 1. 霍尔式微位移传感器霍尔式微位移传感器u动态范围可达动态范围可达 5 mmu分辨率为分辨率为 0.001mm 2. 霍尔式转速传感器 右图是霍尔式转速传感器。 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁经过时产生一个相

9、应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决议了传感器丈量转速的分辨率。 霍尔传感器的运用霍尔传感器的运用1-输入轴；输入轴；2-转盘；转盘；3-小磁铁；小磁铁；4-霍尔传感器霍尔传感器实验内容实验内容u实验义务实验义务利用霍尔效应丈量螺线管内轴线上磁感应强度的分布利用霍尔效应丈量螺线管内轴线上磁感应强度的分布. .完成这一实验义务，必需做以下任务：完成这一实验义务，必需做以下任务：仪器调理仪器调理(将仪器调理到规范任务形状将仪器调理到规范任务形状).仪器标定仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系确定霍尔电压与磁感应强度的关系).丈量通电螺线管内轴线上磁

10、感应强度的分布丈量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.关键提示关键提示本实验关键点如下：本实验关键点如下：1.接线接线2.调规范任务形状调规范任务形状3.定标：固定位置、改动励磁电流定标：固定位置、改动励磁电流4.丈量：固定励磁电流、改动位置丈量：固定励磁电流、改动位置请按以上关键点阅读以下资料。请按以上关键点阅读以下资料。实验安装实验安装FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪型螺线管磁场测定仪包括实验主机、集成霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单包括实验主机、集成霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单刀换向开关、三芯电源线及导线假设干刀换向开关、三芯电源线及导线假设干. .实验安装实验安装电源组和数

11、字电压表电源组和数字电压表实验安装实验安装集成霍耳传感器探测棒、螺线管集成霍耳传感器探测棒、螺线管实验安装实验安装双刀和单刀换向开关双刀和单刀换向开关实验安装实验安装本实验仪采用本实验仪采用SS95A型集成霍尔传感器，内部构造如图：型集成霍尔传感器，内部构造如图：u在零磁场条件下，在零磁场条件下，调理调理V+、V-所接的电所接的电源电压，使输出电压源电压，使输出电压为为2.500V时，传感器时，传感器任务电流即为规范任任务电流即为规范任务电流务电流.SHSHIKVIKVB).(5002 V为霍尔传感器输出电压为霍尔传感器输出电压规范任务电流下磁场与霍尔元规范任务电流下磁场与霍尔元件输出电压的关

12、系为：件输出电压的关系为：u丈量时霍尔传感器丈量时霍尔传感器必需处于规范任务电必需处于规范任务电流下流下.V+和和V-构成电构成电流输入端流输入端Vout和和V-构成构成电压输出端电压输出端 V是用是用2.500V外接电压补偿后的外接电压补偿后的输出值输出值.实验内容：仪器调理实验内容：仪器调理衔接给螺线管提供励磁电流的电路衔接给螺线管提供励磁电流的电路.衔接给霍尔元件提供任务电流衔接给霍尔元件提供任务电流(IS)的电路的电路.衔接输出霍尔电压的电路衔接输出霍尔电压的电路.衔接外接补偿电压衔接外接补偿电压(2.500V)的电路的电路. 详见下页图示详见下页图示.实验内容：仪器调理实验内容：仪器

13、调理为螺线管提供励磁电为螺线管提供励磁电流流( (流过螺线管的电流过螺线管的电流流) )，产生磁场，产生磁场. .外接外接2.500V补偿电压补偿电压u 留意：留意：V+、V-不能接反，否那么将损坏元不能接反，否那么将损坏元件件.调理外接调理外接2.500V补偿电压补偿电压调理霍尔元调理霍尔元件任务电流件任务电流双刀换向开关双刀换向开关K2K2用于改动励用于改动励磁电流的方向磁电流的方向. .显示励磁电流大小显示励磁电流大小调理励调理励磁电流磁电流集成霍尔元件集成霍尔元件霍尔元件位置读数霍尔元件位置读数显示霍尔显示霍尔元件输出元件输出电压电压. .量程量程切换切换实验内容：仪器调理实验内容：仪

14、器调理二二. 将霍尔元件的任务电流调理为规范任务电流将霍尔元件的任务电流调理为规范任务电流将开关将开关K1指向位置指向位置1，调理，调理4.8V5.2V电源输出电压，使电源输出电压，使数字电压表显示的数字电压表显示的“Vout 和和“V-间的电压为间的电压为2.500V，此时集成霍尔元件到达规范化任务形状，即流过霍尔元件此时集成霍尔元件到达规范化任务形状，即流过霍尔元件的电流为规范任务电流。的电流为规范任务电流。断开开关断开开关K2，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下，使集成霍耳传感器处于零磁场条件下.K2仍断开，坚持仍断开，坚持V+和和V-电压不变，把开关电压不变，把开关K1指向指向2，调，调

15、理理2.4V2.6V的外接补偿电压，使数字电压表在的外接补偿电压，使数字电压表在mV档的档的示值为示值为0，即用一个外接，即用一个外接2.500V电位差对传感器输出的电位差对传感器输出的2.500V电位差进展补偿，以便可直接读出电位差进展补偿，以便可直接读出V .三三. 对传感器输出的对传感器输出的2.500V电位差进展补偿电位差进展补偿实验内容：仪器调理实验内容：仪器调理霍尔元件置于螺线管中央，改动励磁电流霍尔元件置于螺线管中央，改动励磁电流IM (0-500mA) ，丈量，丈量V-IM 关系关系(测测10组数据组数据).IM为螺线管通电电流为螺线管通电电流 绘制绘制V-IM关系曲线，计算斜

16、率关系曲线，计算斜率 .MIV实验内容实验内容1：霍尔电势差与磁感应强度：霍尔电势差与磁感应强度B的关系的关系n 方法：霍尔元件位置固定方法：霍尔元件位置固定( (置于螺线管的中央置于螺线管的中央) )，改，改动励磁电流动励磁电流. . 留意：两端的磁场变化快而中间变化慢，丈量点在两留意：两端的磁场变化快而中间变化慢，丈量点在两边应比中间获得密一些边应比中间获得密一些用测得的轴线上各点的磁感应强度，绘制螺线管轴线上用测得的轴线上各点的磁感应强度，绘制螺线管轴线上磁场的分布曲线磁场的分布曲线. .励磁电流为励磁电流为0 0时，霍尔电时，霍尔电压总为压总为0 0吗？吗？IM=0时，由于地磁场的存在

17、，时，由于地磁场的存在，VH不一定为不一定为0，怎样消除地磁，怎样消除地磁场的影响？场的影响？u每个点每个点IMIM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均正、反向各测一次，取二者绝对值的平均值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响. .实验内容实验内容2：螺线管轴线磁场分布的丈：螺线管轴线磁场分布的丈量量n 方法：坚持励磁电流不变方法：坚持励磁电流不变(250mA)，改动霍尔元件位置，改动霍尔元件位置(030.0cm) ，丈量螺线管轴线上各点的霍尔电压。，丈量螺线管轴线上各点的霍尔电压。实验数据例实验数据例灵敏度的测定灵敏度的测定 表表1丈量霍尔电压丈量霍尔电压(已放大已放大)与励磁电流与励磁电流IM的关系的关系 (霍尔传感器处于螺线管中央位置，即霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cm处处)霍尔电压与励磁电流的关系曲线：霍尔电压与励磁电流的关系曲线：实验数据例实验数据例螺线管内轴线磁场分布的测定螺线管内轴线磁场分布的