大學(xué)物理試驗(yàn)教案-霍爾效應(yīng)

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教案實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)霍爾效應(yīng)教學(xué)時(shí)數(shù)2學(xué)時(shí)教學(xué)目的和要求1、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢(shì)差Vj與霍爾元件工作電流|之間的關(guān)系，了解霍爾電勢(shì)差H1sV與勵(lì)磁電流I之間的關(guān)系。H1m3、學(xué)習(xí)用“對(duì)稱(chēng)交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的原理和方法。教學(xué)重點(diǎn)1、霍爾效應(yīng)原理。2、對(duì)稱(chēng)交換測(cè)量法消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。3、用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。教學(xué)難點(diǎn)1、用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。2、霍爾電壓測(cè)量時(shí)產(chǎn)生附加電壓的消除方法教學(xué)內(nèi)容1、真空中載流長(zhǎng)直螺線(xiàn)管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=N0nl。2、霍爾效應(yīng)一通電溥條在電場(chǎng)垂直方向加一磁場(chǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)

2、仕電場(chǎng)與磁場(chǎng)都垂苴的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電場(chǎng)。vh=KhiB3霍爾電壓的測(cè)量實(shí)際測(cè)量時(shí)所測(cè)的電壓不是Vh,還包括其它因素帶來(lái)的附加電壓：(1)不等勢(shì)電壓Vo,(2)厄廷豪森效應(yīng)Ve,(3)能斯脫效應(yīng)Vn,(4)里記一勒杜克效應(yīng)V.L,我們可通過(guò)改變Is、B的方向的辦法，使在不同的測(cè)量條件下抵消這些因素的影響。教學(xué)方法教師講解教學(xué)內(nèi)容，明確其重點(diǎn)和難點(diǎn)，然后實(shí)際演示操作要點(diǎn)。教學(xué)手段學(xué)生操作，隨堂檢查操作情況。根據(jù)學(xué)生的操作情況將容易犯錯(cuò)的問(wèn)題做重點(diǎn)提示，學(xué)生可以根據(jù)操作中遇到的具體問(wèn)題個(gè)別提問(wèn)。時(shí)間分配A次課講授30分鐘，學(xué)生操作70分鐘，做霍爾效應(yīng)。第二次課做測(cè)量螺線(xiàn)管磁場(chǎng)部分。板書(shū)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

3、、實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量關(guān)系式、數(shù)據(jù)處理提示。主要參考資料1、楊述武等，普通物理實(shí)驗(yàn)（第四版）M,北京：高等教育出版社，2007.2、鄭庚興，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2004.3、黃水平，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.4、徐揚(yáng)子，丁益民，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M.北京：科學(xué)出版社，2006.5、李蓉，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程M.北京：北京師范大學(xué)出版社，2008.實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)原理。2、了解霍爾電勢(shì)差VH與霍爾元件工作電流Is之間的關(guān)系，了解霍爾電勢(shì)差VH與勵(lì)磁電流Im之間的關(guān)系。3、學(xué)習(xí)用“對(duì)稱(chēng)交換測(cè)量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。4、學(xué)習(xí)利用霍爾

4、效應(yīng)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的原理和方法。實(shí)驗(yàn)儀器：TH-H霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀TH-H霍爾效應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理：一、霍爾效應(yīng)原理若將通有電流的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)B之中，磁場(chǎng)B（沿z軸）垂直于電流|S（沿x軸）的方向，如圖所示，則在導(dǎo)體中垂直于B和IS的方向上出現(xiàn)一個(gè)橫向電勢(shì)差UH,這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。這一效應(yīng)對(duì)金屬來(lái)說(shuō)并不顯著，但對(duì)半導(dǎo)體非常顯著。利用霍爾效應(yīng)可以測(cè)定載流子濃度、載流子遷移率等重要參數(shù)，是判斷材料的導(dǎo)電類(lèi)型和研究半導(dǎo)體材料的重要手段。還可以用霍爾效應(yīng)測(cè)量直流或交流電路中的電流強(qiáng)度和功率，以及把直流電流轉(zhuǎn)成交流電流并對(duì)它進(jìn)行調(diào)制、放大。用霍爾效應(yīng)制作的傳感器廣泛用于磁場(chǎng)、位置、位移、轉(zhuǎn)速的測(cè)量?；魻?/p>

5、電勢(shì)差產(chǎn)生的本質(zhì)，是當(dāng)電流IS通過(guò)霍爾元件（假設(shè)為P型，即導(dǎo)電的載流子是空穴。）時(shí)，空穴有一定的漂移速度v,垂直磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生一個(gè)洛侖茲力Fb=q(VxB)(1)式中q為載流子電荷。洛淪茲力使載流子產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以有些偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)E,直到電場(chǎng)對(duì)載流子的作用力FE=qE與磁場(chǎng)作用的洛淪茲力相抵消為止，即q(vxB)=qE(2)這時(shí)載流子在樣品中流動(dòng)時(shí)將不偏轉(zhuǎn)地通過(guò)霍爾元件，霍爾電勢(shì)差就是由這個(gè)電場(chǎng)建立起來(lái)的。如果是N型樣品，即導(dǎo)電的載流子是電子，則橫向電場(chǎng)與前者相反，所以N型樣品和P型樣品的霍爾電勢(shì)差有不同的符號(hào)，據(jù)此可以判斷霍爾元件的導(dǎo)

6、電類(lèi)型。設(shè)P型樣品的載流子濃度為n,寬度為b,厚度為d。通過(guò)樣品電流IS=nevbd,則空穴的速度v="，代入(2)式有nebd(3)IsBnebd上式兩邊各乘以b,便得到Vh=Eb=IsBIsBRH.nedd(4)霍爾電壓VH(A、A'之間電壓)與Is、B的乘積成正比，與霍爾元件的厚度d成反比，比例系數(shù)RH,稱(chēng)為霍爾系數(shù)。它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。RHVHd(5)ne在應(yīng)用中一般寫(xiě)成(6)Vh=KhIsBRH1比例系數(shù)Kh=，稱(chēng)為霍爾兀件靈敏度，單位為mV/(mA)。一般要求KhIsned愈大愈好。Kh與載流子濃度n成反比，半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度遠(yuǎn)比金屬載流子濃度小，

7、所以選用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。Kh與片厚d成反比，所以霍爾元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。由(4)式可以看出，知道了磁感應(yīng)強(qiáng)度B,只要分別測(cè)出傳導(dǎo)電流Is及霍爾電勢(shì)差Vh,就可算出霍爾系數(shù)RH和霍爾元件靈敏度Kh二、由Rh確定以下參數(shù)(1)由Rh的符號(hào)(或霍爾電壓的正負(fù))判斷樣品的導(dǎo)電類(lèi)型。判斷的方法是按圖所示的Is和B的方向，若測(cè)得的Vh>0,(即電流流入端電勢(shì)高于流出端的電勢(shì))，則Rh為正，樣品屬P型，反之則為N型。1一一.一一.、(2)由Rh求載流子濃度n,即n=。應(yīng)該指出，這個(gè)關(guān)系是假定所有載流子|Rh|6都具有相同的漂移速度得到的(嚴(yán)格一點(diǎn)，應(yīng)考慮載流子的速度統(tǒng)計(jì)分布，

8、在若磁場(chǎng)下應(yīng)引入一個(gè)修正因子亞)。8三、霍耳元件副效應(yīng)的影響及其消除1 .霍耳元件的副效應(yīng)在研究固體導(dǎo)電過(guò)程中，繼霍耳效應(yīng)之后不久又發(fā)現(xiàn)了厄廷豪森(Etinghausen)、能斯特(Nernst)和里紀(jì)一勒杜克(Righi-Ledue)效應(yīng)，它們都?xì)w屬于熱磁效應(yīng)。(1)厄廷豪森效應(yīng)1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下，速度大的受到洛侖茲力大，繞大圓軌道運(yùn)動(dòng)；速度小的則繞小圓軌道運(yùn)動(dòng)，這樣導(dǎo)致霍耳元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個(gè)橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差電效應(yīng)，形成電勢(shì)差，記為Ue。其方向決定于Ih和磁場(chǎng)B的方向，并可判斷Ve與Vh始終同向(2)能斯特效

9、應(yīng)由于輸入電流端引線(xiàn)的焊接點(diǎn)a、b處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使a和b兩端之間存在溫度差，于是在a和b之間出現(xiàn)熱擴(kuò)散電流。在磁場(chǎng)的作用下，在c、e兩端出現(xiàn)了橫向電場(chǎng)，由此產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為Vn。其方向與Ih無(wú)關(guān)，只隨磁場(chǎng)方向而變。(3)里紀(jì)一勒杜克效應(yīng)由于熱擴(kuò)散電流的載流子的遷移率不同，類(lèi)似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個(gè)橫向的溫度梯度，以產(chǎn)生附加電勢(shì)差，記為VRl。其方向只與磁場(chǎng)方向有關(guān)，且與Vh同向。2 .不等勢(shì)電勢(shì)差以及電壓輸入端引線(xiàn)在制作時(shí)不可能不等勢(shì)電勢(shì)差是由于霍耳元件的材料本身不均勻,IH流過(guò)霍耳元件時(shí),絕對(duì)對(duì)稱(chēng)地焊接在霍耳片的兩側(cè)所引起的，如圖所示。因此

10、，當(dāng)電流在電極3、4之間也具有電勢(shì)差，記為V0,其方向只隨Ih方向不同而改變，與磁場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。3 .副效應(yīng)的消除根據(jù)以上副效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)，除VE外，其余的都可利用異號(hào)法消除其影響，因6b33圖2能斯特效應(yīng)圖3不等勢(shì)電勢(shì)差而需要分別改變Ih和B的方向，測(cè)量四組不同的電勢(shì)差，然后作適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，而得到VH。取+B、+1H測(cè)得V=VhVeVnVrlVo取+B、-1H測(cè)得V2-Vh-VeVnVRl-Vo取一B、IH測(cè)得V3=VhVe-Vn-Vrl-Vo取B、十匕測(cè)得V4=-Vh-Ve-Vn-VrlVo消去Vn、Vrl和V0得1Vh(Vi-V2V3-V4)-Ve4因Ve=Vh,一般可忽略不計(jì)，所

11、以1 -Vh=-(Vi-V2+V3-V4)(7)本實(shí)驗(yàn)要利用霍爾效應(yīng)測(cè)量長(zhǎng)直螺線(xiàn)管軸線(xiàn)上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、掌握儀器性能，連接測(cè)試儀與實(shí)驗(yàn)儀各組之間的連線(xiàn)(1)開(kāi)關(guān)機(jī)前，測(cè)試儀的“1s調(diào)節(jié)”和“1M調(diào)節(jié)”旋鈕均置零位(即逆時(shí)針旋到底)。(2)連接測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀之間各組的連線(xiàn)。2、繪Vh%曲線(xiàn)將測(cè)試儀的“功能切換”置Vh,取1M=0.600A,分別取1s=0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00mA,依次測(cè)量+IS,+B;+IS-B;-IS,-B;-IS,+B相應(yīng)的Vh，值。3、測(cè)繪VH-IM曲線(xiàn)保持1s值不變(取1s=2.00mA),分別取1M=0.100,0.200,0.300,0.400,0.500,0.600A,依次測(cè)量+IS+B;+ISB；-IS,-B；-IS,+B相應(yīng)的VH值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理d=0.50mmb=4.00mml=3.00mmB0=1、Im=0.600AB=0.600Im=Is/mAV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH,'+/mV4+B,+Is-B,+Is-B,Ts+B,-Is0.501.001.502.002.503.00以I為橫坐標(biāo)，Vh為縱坐標(biāo)作圖，求斜率k霍爾系數(shù)為kdRH-B判斷導(dǎo)電類(lèi)型載流子濃度3二1n-8Re2、Is=2.00mAIm/AV1/mVV2