霍尔效应及磁场的测量

1、霍尔效应及磁场的测量,大学物理实验,实验目的,了解霍尔效应的基本原理，掌握用霍尔效应测量磁场的方法。 学习用对称测量法消除霍尔元件的副效应。,实验原理,导体或半导体薄膜材料在外加电场作用下，载流子产生定向运动，运动的电荷在磁场中受到洛仑兹力作用使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场EH，这个现象称为霍尔效应，该电场称为霍尔电场。应用这种效应做成的传感器称为霍尔元件。,图1 霍尔效应,霍尔电势差的产生和确定,KH称为霍尔元件的灵敏度，是一个常数，单位为,+,-,B,由上式可看出，若已知霍尔片的灵敏度KH，只需分别测出霍尔电流IH及霍尔电势差VH就

2、可以算出磁场B的大小，这就是霍尔效应测磁场的基本原理。,*一般要求霍尔元件的灵敏度KH愈大愈好。KH与载流子浓度n成反比，半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍尔元件，KH与材料片厚d成反比,因此霍尔元件都做得很薄,一般只有0.2mm厚.,霍尔元件副效应及消除,在实际测量过程中，还会伴随一些热磁副效应，它使所测得的电压不只是VH还会附加另外一些电压，给测量带来误差。,这些热磁效应有,1.埃廷斯豪森效应,2.能斯脱效应,3.里纪-勒杜克效应,4.不等位效应,埃廷斯豪森效应，是由于霍尔片两端有温度差，从而产生温差电动势VE，它与霍尔电流IH、磁场B方向有关。,能斯脱效应，

3、是由于当热流通过霍尔片在其两侧会有电动势VN产生，只与磁场B和热流有关。,里纪-勒杜克效应,是当热流通过霍尔片时, 两侧会有温度差产生,从而又产生温差电动势VL,它同样与磁场B及热流有关.,不等位效应,是两侧的电极不在同一等势面上引起的，当IH通过电流端时，即使不加磁场也会有电势差V0产生，其方向随IH方向而改变。,霍尔元件副效应及消除,这些负效应值的正负与电流和磁场的方向有关，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上就能把副效应的影响从测量结果中消除。,实验测量电路如左图所示,VAA电压测量双路恒流电源提供实验装置电源和显示霍尔电压的数值。左面的恒流源提供电磁铁提供励磁电流IM，右面的恒流源提

4、供霍尔工作电流IH，中间的电压表显示霍尔电压VH的大小。,实验测量,图1 霍尔效应,*确定仪器的KH和IH，并记录下来，方可开始实验。,实 验 仪 器,实 验 仪 器,电源,电源,电源,SH500A型,SH500型,对称法消除负效应换向开关,实验操作要求,测量电磁铁间隙磁场沿水平方向的分布, 画出分布图(B-X图)(IM=600mA);,A.将霍尔控制电流调至设定值， SH500型 IH=9.00mA; SH500-A型 IH=2.00mA； B. 测量单边水平方向磁场分布(020mm)，012mm每隔4mm测一点，1320mm每隔1mm测一点； C. 每个点都应用对称测量法消除霍尔元件的副效

5、应。,实验操作要求,电磁铁气隙磁场沿水平方向的分布BX图,A.将霍尔控制电流调至设定值: SH500型IH=9.00mA; SH500-A型IH=2.00mA,B.励磁电流IM在0200mA,800mA1000mA范围内 每隔50mA测一点,200mA800mA范围内每隔 200mA测一点;,C.每个点都应用对称测量法消除霍尔元件的副效应.,测量励磁电流与霍尔电压的IM-VH关系曲线,实验操作要求,实验操作要求,IM-VH 关系曲线,注意事项,1. 励磁电流与霍尔电流的输入端不可接错;,2. 两种霍尔效应实验仪的工作电流不得超过: SH500型 IH10.00mA; SH500-A IH2.5

6、0mA.,3. 实验仪的换相开关需自己连接.,作 业,什么是霍尔效应？采用霍尔效应测量磁场时，需要测量哪些物理量？ 2. 如何判断材料的导电类型和磁场的极性？ 3. 如何判断霍尔元件的法向与磁场方向是否 一致，对结果有何影响？,讲义中思考题1、2,作 业,*半导体材料有N型（电子型）和P型(空 穴型）两种，前者载流子为电子，带负 电；后者载流子为空穴，相当于带正电 的粒子。如何判断材料的导电类型？,*本实验中磁场由励磁电流来激励产生， 磁场方向与电流方向有关，未知励磁 线圈绕向的情况下如何判断磁场方向？,课堂思考,-,+,VH0,VH0,*如何判断载流子类型,-,+,VH0,VH0,*如何判断磁场方向,实验报告基本要求：字迹清晰，文理通顺，图表正确，数据完备和结论明确,实验报告内容包括： （1）实验名称 （2）实验目的 (3)实验仪