霍爾元件測磁感應(yīng)強(qiáng)度盛愛蘭

1、 山東理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告預(yù)習(xí)分課堂分報(bào)告分總成績實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾元件測量螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度姓名：程嘉良 學(xué)號(hào)：0612203738 時(shí)間代碼：14356 實(shí)驗(yàn)序號(hào)：18 院系： 一年級(jí)工作部 專業(yè)：大理 級(jí).班： 0655 教師簽名： 儀器與用具： TH-S型螺線管磁場實(shí)驗(yàn)儀、TH-S型螺線磁場測試儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1 掌握霍爾元件的工作特性。2 學(xué)習(xí)用霍爾元件法測量螺線管軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度的原理和方法。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容（原理預(yù)習(xí)、操作步驟、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、思考題解答）實(shí)驗(yàn)原理Y UHBZIsXbd霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講，就是運(yùn)動(dòng)帶電粒子q在磁場中受到洛侖茲力而引起的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于帶電粒子束縛在固體材料中，

2、這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致在垂直于電流和磁場方向上正負(fù)電荷在樣品邊界上的聚積，形成橫向電場EH。右圖立方體為霍爾元件樣品，b為寬度，d厚度， Is是沿x軸方向從樣品中流過的電流，在z軸方向上施加一個(gè)磁場B，則在y軸方向上樣品的兩個(gè)側(cè)面間就存在一個(gè)電動(dòng)勢，即霍爾電動(dòng)勢UH。當(dāng)橫向電場對(duì)載流子的電場力與磁場對(duì)載流子的洛侖茲力相等時(shí)，載流子不再偏轉(zhuǎn)，形成穩(wěn)定電場。 （1）式中為霍爾電場，載流子在電流方向上的平均漂移速率。設(shè)載流子濃度為n，則有： （2） （3） 可見，UH與IsB成正比，與樣品厚度d成反比，比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要物理量。為霍爾元件的靈敏度，則 （4） （5）（5）式就

3、是磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算公式。為已知量（由儀器生產(chǎn)廠家給出），測得UH和Is就可以求得霍爾元件所在點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。然而，由于一些熱磁負(fù)效應(yīng)的存在，會(huì)產(chǎn)生一些附加的電動(dòng)勢，實(shí)驗(yàn)中測得的電動(dòng)勢并不是實(shí)物理實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾元件測量螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度 姓名：程嘉良 時(shí)間代碼：18 際的霍爾電壓。這給測量帶來誤差，必須想辦法消除。根據(jù)這些負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，采用電流和磁場換向的方法，就可以把負(fù)效應(yīng)從測量結(jié)果中消除。具體做法是Is和B大小不變，設(shè)定Is和B的正反方向后，分別改變它們的方向，記錄四組電動(dòng)勢數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中流過螺線管內(nèi)電流為IM，是勵(lì)磁電流，規(guī)定IM為正時(shí)，B為正；IM為負(fù)時(shí)，B為負(fù)。+ Is +

4、B（+ IM） U1- Is + B（- IM） U2- Is - B（- IM） U3+ Is - B（+ IM） U4 （6）本實(shí)驗(yàn)用霍爾元件測量螺線管軸向上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。螺線管是由繞在圓柱面上的導(dǎo)線構(gòu)成，可看成由很多有共同軸線的圓形線圈的組合，因此，軸線上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，可從對(duì)各圓形電流在軸線上該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行積分得到。對(duì)于有限長的螺線管，軸線中心點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，為式中為真空磁導(dǎo)率，n為螺線管單位長度的線圈匝數(shù)，IM為勵(lì)磁電流。圖1從理論上講，長直螺線管內(nèi)部磁場是均勻的，在靠近兩端口處，表現(xiàn)出明顯的不均勻性。在端口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度等于中部磁感應(yīng)強(qiáng)度的。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 連接線路

5、，測試儀面板上的“Is輸出”、“IM輸出”、“VH、V輸入”三對(duì)接線柱分別與實(shí)驗(yàn)儀上的三對(duì)相應(yīng)接線柱正確連接。2 將Is、IM調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底，使輸出電流處于最小狀態(tài)。打開電源，給測試儀預(yù)熱10多分鐘。3 “測量選擇”置于Is，調(diào)節(jié)“Is調(diào)節(jié)”使Is = 8.00mA。然后把“測量選擇”置于IM，調(diào)節(jié)“IM調(diào)節(jié)”旋鈕使IM = 0.800A。注意：在此后的實(shí)驗(yàn)過程中，“Is調(diào)節(jié)” 和“IM調(diào)節(jié)”旋鈕不能再動(dòng)。 4 調(diào)節(jié)二維調(diào)節(jié)架的調(diào)節(jié)旋鈕x1、x2，霍爾元件離軸線中心點(diǎn)距離，測出該位置對(duì)應(yīng)的U1、 U2、 U3、 U4，并計(jì)算出相應(yīng)UH和B的值。5 實(shí)驗(yàn)完畢，將Is、IM調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)到

6、底，然后切斷電源。 物理實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾元件測量螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度 姓名：程嘉良 時(shí)間代碼： 18數(shù)據(jù)處理取Is = 8.00mA，IM = 0.800A保持不變，測螺線管軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。1 根據(jù)下表數(shù)據(jù)繪制B-x曲線，驗(yàn)證螺線管端口的磁感應(yīng)強(qiáng)度為中心位置的1/2，x1/cmx2/cmx/cmU1/mVU2/mVU3/mVU4/mVUH/mVB/T+Is、+IM-Is、+IM-Is、-IM+Is、-IM0.00.014.01.30-1.211.16-1.361.2580.005640.50.013.51.78-1.871.75-1.851.8100.008111.00.013.02

7、.07-2.102.04-2.132.0850.009341.50.012.52.22-2.232.17-2.282.2250.009972.00.012.02.292.292.23-2.352.2900.010265.00.09.02.35-2.342.27-2.432.3480.010528.00.06.02.40-2.352.29-2.472.3780.0106911.00.03.02.43-2.362.30-2.492.3950.0107314.00.00.02.41-2.342.27-2.472.3750.0106414.03.0-3.02.42-2.342.27-2.482.378

8、0.0106914.06.0-6.02.46-2.372.31-2.532.4200.0108414.09.0-9.02.47-2.382.31-2.542.4250.0108614.012.0-12.02.35-2.262.20-2.412.3050.0103314.012.5-12.52.27-2.192.12-2.342.2300.0099914.013.0-13.02.10-2.001.92-2.192.0530.0092014.013.5-13.51.80-1.681.62-1.861.740.0078014.014.0-141.22-1.111.04-1.281.1630.00521按實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制B-x曲線如下圖22 螺線管中心點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論值與該點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差。螺線管中心點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論值： 物理實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)名稱：霍爾元件測量螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度 姓名：程嘉良 時(shí)間代碼： 18相對(duì)誤差：圖2 B-x曲線思考題1 金屬材料能否作為制作霍爾元件的材料？答：金屬材料不能作霍爾元件。金屬材料中自由電子濃度n很大，由可知，很小，使輸出的很小?；魻栐怯冒雽?dǎo)體材料制成的，半導(dǎo)體的載流子濃度n小，就大，使輸出的比較大。2 霍爾元件為什么作的很?。看穑簽榛魻栐撵`敏度，由知，越大，元件的霍爾效應(yīng)越強(qiáng)。又