高中物理奧林匹克競賽實(shí)驗(yàn)考核——霍爾效應(yīng)及磁場的測量ppt課件

1、霍爾效應(yīng)及磁場的丈量霍爾效應(yīng)及磁場的丈量Edwin Hall18551938 霍爾效應(yīng)是霍爾霍爾效應(yīng)是霍爾 (Hall)24 (Hall)24歲時在美國霍普金斯大學(xué)研討生期歲時在美國霍普金斯大學(xué)研討生期間，研討關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的間，研討關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種景象。受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種景象。 在長方形導(dǎo)體薄板上通以在長方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為

2、霍爾電壓。電壓。背景引見背景引見霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng) 長時期以來，霍爾效應(yīng)是在室溫暖中等強(qiáng)度磁場條件下進(jìn)展實(shí)驗(yàn)的。1980年,德國物理學(xué)家克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)如今低溫條件下半導(dǎo)體硅的霍爾效應(yīng)不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強(qiáng)度呈騰躍性的變化，這種騰躍的階梯大小由被整數(shù)除的根本物理常數(shù)所決議。這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。背景引見背景引見分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)u高純度半導(dǎo)體資料u超低溫環(huán)境：僅比絕對零度高非常之一攝氏度約273u超強(qiáng)磁場：當(dāng)于地球磁場強(qiáng)度100萬倍背景引見背景引見崔琦R

3、obert LaughlinHorst Stormer構(gòu)造出了分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)的解析波函數(shù)1998年的諾貝爾物理學(xué)獎分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理u景象景象 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在長方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁在長方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。種景象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。u實(shí)際分析實(shí)際分析磁場中運(yùn)動載流子受洛倫茲力作用磁場中運(yùn)動載流子受洛倫茲力作用電荷聚集構(gòu)成電場電荷聚集構(gòu)成

4、電場電場力與洛倫茲力電場力與洛倫茲力到達(dá)平衡，構(gòu)成穩(wěn)到達(dá)平衡，構(gòu)成穩(wěn)定電壓定電壓UHBfSIvbdEfHUbUqBqHv又思索到又思索到(n為載流子濃度為載流子濃度)dbnqISv實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理bUqBqHvdBInqUSH1BIKUSHH即：即：埃廷斯豪森效應(yīng)埃廷斯豪森效應(yīng)ExzP型半導(dǎo)體+_溫度低溫度高Jx zN型半導(dǎo)體EyJx_+溫度低溫度高 zEy 霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)E方向與I和方向有關(guān)。由于資料中載流子的速度不同，在磁場的作用下，載流子的偏轉(zhuǎn)半徑不同，從而在y軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此溫度梯度構(gòu)成的溫差電動勢為埃廷斯豪森電壓。能斯特效應(yīng)能斯特效應(yīng)沿x方向通以電流，兩端電極與樣品的接觸

5、電阻不同而產(chǎn)生不同的焦耳熱，致使x方向產(chǎn)生溫度梯度，這一溫度梯度引起一附加的縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從而在y軸方向產(chǎn)生橫向電位差，為能斯特電壓。NxzN方向只與方向有關(guān)。 霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)里吉里吉-勒迪克效應(yīng)勒迪克效應(yīng)縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從而在而在y y軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向溫差又引起橫向電位差，為里吉溫差又引起橫向電位差，為里吉- -勒迪勒迪克電壓?？穗妷骸LxzRLRL的方向只與的方向有關(guān)。的方向只與的方向有關(guān)。 霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng)不等位效應(yīng)不等位效應(yīng)0 xR0制備霍爾樣品時制備霍

6、爾樣品時, y, y方向的丈量電極很難方向的丈量電極很難做四處于理想的等位面上，即使在未加磁做四處于理想的等位面上，即使在未加磁場時，在、兩電極間也存在一個由于場時，在、兩電極間也存在一個由于不等位電勢引起的歐姆壓降不等位電勢引起的歐姆壓降0 0U0U0的方向只與的方向只與IxIx的方向有關(guān)。的方向有關(guān)。 霍爾效應(yīng)中的負(fù)效應(yīng) 霍爾效應(yīng)中負(fù)效應(yīng)的消除u埃廷斯豪森效應(yīng)埃廷斯豪森效應(yīng) E E 方向與方向與I I和方向有關(guān)。和方向有關(guān)。u能斯特效應(yīng)能斯特效應(yīng) N N方向只與方向有關(guān)。方向只與方向有關(guān)。u里吉里吉- -勒迪克效應(yīng)勒迪克效應(yīng) RLRL的方向只與的方向有關(guān)的方向只與的方向有關(guān)u不等位效應(yīng)不等

7、位效應(yīng) U0 U0的方向只與的方向只與I I的方向有關(guān)。的方向有關(guān)。u負(fù)效應(yīng)的消除：改動負(fù)效應(yīng)的消除：改動I I和和B B的方向，即對稱丈量法。的方向，即對稱丈量法。u+B,+I, +B,+I, 測得電壓測得電壓U1=UH+UE+UN+URL+U0U1=UH+UE+UN+URL+U0u+B,-I, +B,-I, 測得電壓測得電壓U2=-UH-UE+UN+URL-U0U2=-UH-UE+UN+URL-U0u-B,-I, -B,-I, 測得電壓測得電壓U3=UH+UE-UN-URL-U0U3=UH+UE-UN-URL-U0u-B,+I, -B,+I, 測得電壓測得電壓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 霍爾傳感器的運(yùn)用霍爾傳感器的運(yùn)用 1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器u動態(tài)范圍可達(dá)動態(tài)范圍可達(dá) 5 mmu分辨率為分辨率為 0.001mm 2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 右圖是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時, 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動, 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵經(jīng)過時產(chǎn)生一個相

9、應(yīng)的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決議了傳感器丈量轉(zhuǎn)速的分辨率。 霍爾傳感器的運(yùn)用霍爾傳感器的運(yùn)用1-輸入軸；輸入軸；2-轉(zhuǎn)盤；轉(zhuǎn)盤；3-小磁鐵；小磁鐵；4-霍爾傳感器霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容u實(shí)驗(yàn)義務(wù)實(shí)驗(yàn)義務(wù)利用霍爾效應(yīng)丈量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布利用霍爾效應(yīng)丈量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布. .完成這一實(shí)驗(yàn)義務(wù)，必需做以下任務(wù)：完成這一實(shí)驗(yàn)義務(wù)，必需做以下任務(wù)：儀器調(diào)理儀器調(diào)理(將儀器調(diào)理到規(guī)范任務(wù)形狀將儀器調(diào)理到規(guī)范任務(wù)形狀).儀器標(biāo)定儀器標(biāo)定(確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系).丈量通電螺線管內(nèi)軸線上磁

10、感應(yīng)強(qiáng)度的分布丈量通電螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布.關(guān)鍵提示關(guān)鍵提示本實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)如下：本實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)如下：1.接線接線2.調(diào)規(guī)范任務(wù)形狀調(diào)規(guī)范任務(wù)形狀3.定標(biāo)：固定位置、改動勵磁電流定標(biāo)：固定位置、改動勵磁電流4.丈量：固定勵磁電流、改動位置丈量：固定勵磁電流、改動位置請按以上關(guān)鍵點(diǎn)閱讀以下資料。請按以上關(guān)鍵點(diǎn)閱讀以下資料。實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)驗(yàn)安裝FD-ICH-II型螺線管磁場測定儀型螺線管磁場測定儀包括實(shí)驗(yàn)主機(jī)、集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、雙刀和單包括實(shí)驗(yàn)主機(jī)、集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、雙刀和單刀換向開關(guān)、三芯電源線及導(dǎo)線假設(shè)干刀換向開關(guān)、三芯電源線及導(dǎo)線假設(shè)干. .實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)驗(yàn)安裝電源組和數(shù)

11、字電壓表電源組和數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)驗(yàn)安裝集成霍耳傳感器探測棒、螺線管集成霍耳傳感器探測棒、螺線管實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)驗(yàn)安裝雙刀和單刀換向開關(guān)雙刀和單刀換向開關(guān)實(shí)驗(yàn)安裝實(shí)驗(yàn)安裝本實(shí)驗(yàn)儀采用本實(shí)驗(yàn)儀采用SS95A型集成霍爾傳感器，內(nèi)部構(gòu)造如圖：型集成霍爾傳感器，內(nèi)部構(gòu)造如圖：u在零磁場條件下，在零磁場條件下，調(diào)理調(diào)理V+、V-所接的電所接的電源電壓，使輸出電壓源電壓，使輸出電壓為為2.500V時，傳感器時，傳感器任務(wù)電流即為規(guī)范任任務(wù)電流即為規(guī)范任務(wù)電流務(wù)電流.SHSHIKVIKVB).(5002 V為霍爾傳感器輸出電壓為霍爾傳感器輸出電壓規(guī)范任務(wù)電流下磁場與霍爾元規(guī)范任務(wù)電流下磁場與霍爾元件輸出電壓的關(guān)

12、系為：件輸出電壓的關(guān)系為：u丈量時霍爾傳感器丈量時霍爾傳感器必需處于規(guī)范任務(wù)電必需處于規(guī)范任務(wù)電流下流下.V+和和V-構(gòu)成電構(gòu)成電流輸入端流輸入端Vout和和V-構(gòu)成構(gòu)成電壓輸出端電壓輸出端 V是用是用2.500V外接電壓補(bǔ)償后的外接電壓補(bǔ)償后的輸出值輸出值.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理銜接給螺線管提供勵磁電流的電路銜接給螺線管提供勵磁電流的電路.銜接給霍爾元件提供任務(wù)電流銜接給霍爾元件提供任務(wù)電流(IS)的電路的電路.銜接輸出霍爾電壓的電路銜接輸出霍爾電壓的電路.銜接外接補(bǔ)償電壓銜接外接補(bǔ)償電壓(2.500V)的電路的電路. 詳見下頁圖示詳見下頁圖示.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器

13、調(diào)理為螺線管提供勵磁電為螺線管提供勵磁電流流( (流過螺線管的電流過螺線管的電流流) )，產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生磁場. .外接外接2.500V補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓u 留意：留意：V+、V-不能接反，否那么將損壞元不能接反，否那么將損壞元件件.調(diào)理外接調(diào)理外接2.500V補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓調(diào)理霍爾元調(diào)理霍爾元件任務(wù)電流件任務(wù)電流雙刀換向開關(guān)雙刀換向開關(guān)K2K2用于改動勵用于改動勵磁電流的方向磁電流的方向. .顯示勵磁電流大小顯示勵磁電流大小調(diào)理勵調(diào)理勵磁電流磁電流集成霍爾元件集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾顯示霍爾元件輸出元件輸出電壓電壓. .量程量程切換切換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀

14、器調(diào)理二二. 將霍爾元件的任務(wù)電流調(diào)理為規(guī)范任務(wù)電流將霍爾元件的任務(wù)電流調(diào)理為規(guī)范任務(wù)電流將開關(guān)將開關(guān)K1指向位置指向位置1，調(diào)理，調(diào)理4.8V5.2V電源輸出電壓，使電源輸出電壓，使數(shù)字電壓表顯示的數(shù)字電壓表顯示的“Vout 和和“V-間的電壓為間的電壓為2.500V，此時集成霍爾元件到達(dá)規(guī)范化任務(wù)形狀，即流過霍爾元件此時集成霍爾元件到達(dá)規(guī)范化任務(wù)形狀，即流過霍爾元件的電流為規(guī)范任務(wù)電流。的電流為規(guī)范任務(wù)電流。斷開開關(guān)斷開開關(guān)K2，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下.K2仍斷開，堅(jiān)持仍斷開，堅(jiān)持V+和和V-電壓不變，把開關(guān)電壓不變，把開關(guān)K1指向指向2，調(diào)，調(diào)

15、理理2.4V2.6V的外接補(bǔ)償電壓，使數(shù)字電壓表在的外接補(bǔ)償電壓，使數(shù)字電壓表在mV檔的檔的示值為示值為0，即用一個外接，即用一個外接2.500V電位差對傳感器輸出的電位差對傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)展補(bǔ)償，以便可直接讀出電位差進(jìn)展補(bǔ)償，以便可直接讀出V .三三. 對傳感器輸出的對傳感器輸出的2.500V電位差進(jìn)展補(bǔ)償電位差進(jìn)展補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：儀器調(diào)理霍爾元件置于螺線管中央，改動勵磁電流霍爾元件置于螺線管中央，改動勵磁電流IM (0-500mA) ，丈量，丈量V-IM 關(guān)系關(guān)系(測測10組數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)).IM為螺線管通電電流為螺線管通電電流 繪制繪制V-IM關(guān)系曲線，計(jì)算斜

16、率關(guān)系曲線，計(jì)算斜率 .MIV實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1：霍爾電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度：霍爾電勢差與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系的關(guān)系n 方法：霍爾元件位置固定方法：霍爾元件位置固定( (置于螺線管的中央置于螺線管的中央) )，改，改動勵磁電流動勵磁電流. . 留意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，丈量點(diǎn)在兩留意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，丈量點(diǎn)在兩邊應(yīng)比中間獲得密一些邊應(yīng)比中間獲得密一些用測得的軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制螺線管軸線上用測得的軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，繪制螺線管軸線上磁場的分布曲線磁場的分布曲線. .勵磁電流為勵磁電流為0 0時，霍爾電時，霍爾電壓總為壓總為0 0嗎？嗎？IM=0時，由于地磁場的存在

17、，時，由于地磁場的存在，VH不一定為不一定為0，怎樣消除地磁，怎樣消除地磁場的影響？場的影響？u每個點(diǎn)每個點(diǎn)IMIM正、反向各測一次，取二者絕對值的平均正、反向各測一次，取二者絕對值的平均值作為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響值作為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響. .實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2：螺線管軸線磁場分布的丈：螺線管軸線磁場分布的丈量量n 方法：堅(jiān)持勵磁電流不變方法：堅(jiān)持勵磁電流不變(250mA)，改動霍爾元件位置，改動霍爾元件位置(030.0cm) ，丈量螺線管軸線上各點(diǎn)的霍爾電壓。，丈量螺線管軸線上各點(diǎn)的霍爾電壓。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例靈敏度的測定靈敏度的測定 表表1丈量霍爾電壓丈量霍爾電壓(已放大已放大)與勵磁電流與勵磁電流IM的關(guān)系的關(guān)系 (霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即X=17.0cm處處)霍爾電壓與勵磁電流的關(guān)系曲線：霍爾電壓與勵磁電流的關(guān)系曲線：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例螺線管內(nèi)軸線磁場分布的測定螺線管內(nèi)軸線磁場分布的