大學物理實驗講義實驗 用霍爾效應法測量磁場

1、實驗用霍爾效應法測量磁場在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中，經(jīng)常需要對一些磁性系統(tǒng)或磁性材料進行測量，被測磁場的范圍可從10-15103T（特斯拉），測量所用的原理涉及到電磁感應、磁光效應、熱磁效應等。常用的磁場測量方法有核磁共振法、電磁感應法、霍爾效應法、磁光效應法、超導量子干涉器件法等近十種。一般地，霍爾效應法用于測量10-410t的磁場。此法結構較簡單，靈敏度高，探頭體積小、測量方便、在霍爾器件的溫度范圍內有較好的穩(wěn)定性。但霍爾電壓和內阻存在一定的溫度系數(shù)，并受輸入電流的影響，所以測量精度較低。用半導體材料制成的霍爾器件，在磁場作用下會出現(xiàn)顯著的霍爾效應，可用來測量磁場、霍爾系數(shù)、判斷半導體材料的導

2、電類型（N型或P型）、確定載流子（作定向運動的帶電粒子）濃度和遷移率等參數(shù)。如今，霍爾效應不但是測定半導體材料電學參數(shù)的主要手段，而且利用該效應制成的霍爾器件已廣泛用于非電量電測、自動控制和信息處理等方面，如測量強電流、壓力、轉速等，在工業(yè)生產(chǎn)要求自動檢測和控制的今天，作為敏感元件之一的霍爾器件，將有更為廣闊的應用前景。了解這一富有實用性的實驗，對于日后的工作將有益處?！緦嶒災康摹苛私饣魻栃a(chǎn)生的機理。掌握用霍爾器件測量磁場的原理和基本方法。學習消除伴隨霍爾效應的幾種副效應對測量結果影響的方法。研究通電長直螺線管內軸向磁場的分布。【儀器用具】TH-H/S型霍爾效應/螺線管磁場測試儀、TH-S

3、型螺線管磁場實驗儀。【實驗原理】霍爾效應產(chǎn)生的機理置于磁場中的載流體，如果電流方向與磁場方向垂直，則在垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加的橫向電場，載流體的兩側會產(chǎn)生一電位差，這個現(xiàn)象是美國霍普斯金大學二年級研究生霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的，后被稱為霍爾效應，所產(chǎn)生的電位差稱為霍爾電壓。特別是在半導體樣品中，霍爾效應更加明顯?；魻栯妷簭谋举|上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉。當帶電粒子（電子和空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉就導致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負電荷的積累，從而形成附加的橫向電場，即霍爾電場。對于圖1-1（a）所示的N型半導體試樣，若在X方向通以電流I，在Z方向

4、加磁場B，試樣中載流子（電子）將受到洛侖茲力大小為:SF二evB（1-1）g則在Y方向，在試樣A、A電極兩側就開始聚積異號電荷而產(chǎn)生相應的附加電場一一霍爾電場。電場的指向取決于試樣的導電類型，對N型半導體試樣，霍爾電場逆Y方向，P型半導體試樣，霍爾電場則沿Y方向，即有：當I沿X軸正向、B沿Z軸正向、E逆Y正方向的試樣是N型半導體。SH當I沿X軸正向、B沿Z軸正向、E沿Y正方向的試樣是p型半導體。SH顯然，該電場是阻止載流子繼續(xù)向側面偏移，當載流子所受到的橫向電場力F二eE與EH洛侖茲力F=evB大小相等時，樣品兩側電荷的積累就達到平衡，故有：g_eE=evB（1-2）_H其中E為霍爾電場，v是

5、載流子在電流方向上的平均漂移速度。H設試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，貝ij：Is二nevbd1-3)而霍爾電壓V二Eb，這樣，由（1-2）、HH1-3）式可求得：1-4)V二Eb二竺二RHHnedHd即霍爾電壓V（A、A電極之間的電壓）與IB乘積成正比，與試樣厚度成反比，比HS1例系數(shù)R=稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù)，只要測出V（伏）HneH以及知道I（安）、B（高斯）和d（厘米），就可按照下式計算R（厘米孑庫侖）。SHVdR=-X108（1-5）HIBS上式中的108是由于磁感應強度B用電磁單位（高斯），而其他各量均采用CGS實用單位而引入。根據(jù)R可進一步確定以

6、下參數(shù)：H由R的符號（或霍爾電壓的正、負）判斷樣品的導電類型H判斷的方法是按照圖1-1所示的I和B的方向，若測得的V二V,D時，卩T兀，卩T0，則有12B二卩NI（1-16）P0M這時，螺線管內部磁場的計算與無限長螺線管情況一致。在實驗裝置中，霍爾器件被封裝在一個黑色塑料保護殼內并連接在一金屬探桿上，可沿螺線管軸線移動（霍爾器件平面與磁場方向垂直），轉動霍爾器件探桿支架的旋紐X、X，可12改變霍爾器件在磁場中的位置，以測定通電長直螺線管內軸向各處的磁感應強度。四線扁平線探桿螺線管霍爾器件7OI縱向調節(jié)支架IO:儀器介紹】TH-S型螺線管磁場實驗儀TH-S型螺線管磁場實驗儀結構如圖1-3所示，主

7、要由三部分組成:IS換向VHIm換向5vrIS輸入vh輸出Im輸入軸向調節(jié)支架x2III軸向調節(jié)支架X圖1-3霍爾效應實驗儀結構示意圖長直螺線管螺線管由漆包銅線密繞而成的，管的長度L=28cm，單位長度的線圈匝數(shù)N(匝/米)已經(jīng)標注在實驗儀上?；魻柶骷驼{節(jié)機構TOC o 1-5 h z霍爾器件如圖1-4所示，它有兩對電極，A、A電；A極用來測量霍爾電壓V，D、D電極為工作電流電H_極，兩對電極用四線扁平線經(jīng)探桿引出，分別接到實驗1儀的V輸出開關和/換向開關處。HS霍爾器件的靈敏度K與載流子濃度成反比，因半H導體材料的載流子濃度隨溫度變化而變化，故K與溫H度有關。實驗儀上給出了該霍爾器件在15

8、C時的KH值。如圖1-3所示，探桿固定在二維(X、Y方向)調節(jié)支架上，其中Y方向調節(jié)支架通過旋紐Y調節(jié)圖1-4霍爾器件示意圖探桿中心軸線與螺線管內孔軸線的位置，應使之重合。x方向調節(jié)支架通過旋紐X、X調節(jié)探桿的軸向位置。二維支架上設有X、X及Y測距1212尺，用來指示探桿的軸向及縱向位置，一般情況下，可不調節(jié)Y旋紐。實驗時如想使霍爾探頭從螺線管的右端移至左端，為調節(jié)順手，應先調節(jié)X旋紐，使調1節(jié)支架X的測距尺讀數(shù)X從0.0-14.0cm,再調節(jié)X旋紐，使調節(jié)支架X的測距尺讀數(shù)從11220.0-14.0cm，反之，要使探頭從螺線管左端移至右端，應先調節(jié)X，讀數(shù)從14.0cm0.0，2再調節(jié)X，讀

9、數(shù)從14.0cm0.0。1霍爾探頭位于螺線管的右端、中心、左端時，測距尺指示為位置右端中心左端測距尺讀數(shù)（cm）014.014.00014.0（3）換向開關實驗儀上有工作電流1及勵磁電流I換向開關、霍爾電壓V輸出開關，三組開關與對SMH應的霍爾器件及螺線管之間的連線均已經(jīng)接好。TH-H/S型霍爾效應/螺線管磁場測試儀TH-H/S型霍爾效應/螺線管磁場測試儀面板圖如圖1-5所示:Ip輸出STH-型螺旋管磁應測試儀輸VHVo(mV)BBB8一功能切換Is(mA)q(A)-8B8BIS調節(jié)調節(jié):LzJ.lli1VhVo(mV輸入測量選擇輸杭州天科技術實業(yè)有限公司杭州天煌電器設備廠圖1-5TH-H/S

10、型霍爾效應螺線管磁場測試儀面板圖霍爾器件工作電流源，輸出電流010mA，通過調節(jié)旋紐連續(xù)調節(jié)。S（2）I輸出M螺線管勵磁電流源，輸出電流01A，通過I調節(jié)旋紐連續(xù)調節(jié)。M上述兩組恒流源讀數(shù)可通過“測量選擇”按鍵共用一只3位半的LED數(shù)字電流表顯示，按鍵按鍵按下時是測量I，彈起時是測量1。MS直流數(shù)字電流表3位半的LED數(shù)字毫伏表，供測量霍爾電壓用，電壓表零位可通過面板左下方調零電位器旋紐進行校正。實驗內容與要求】霍爾器件輸出特性測量將測試儀面板上的T輸出”、“I輸出”和“V輸入”三對接線柱分別與實驗儀上SMH的三對相應的接線柱正確連接，如誤將測試儀的勵磁電源I輸出”接到實驗儀的“IMS輸入”或

11、“V輸出”處，則將損壞霍爾器件。H儀器開機前應將“I調節(jié)”和“I調節(jié)”旋紐逆時鐘方向旋到底，使其輸出電流趨于SM最小狀態(tài)，并檢查電路確定無誤后方可開啟測試儀的電源。另外，實驗完畢關機前，應將“I調節(jié)”和“I調節(jié)”旋紐逆時鐘方向旋到底，使其輸出電流趨于最小狀態(tài)，才SM能關機。“I調節(jié)”和“I調節(jié)”分別用來控制樣品的工作電流I和勵磁電流I的大小，其SMSM電流強度隨旋紐順時鐘方向轉動而增加，當“測量選擇”按鍵按下時，儀器面板上的數(shù)字電流表顯示的是I的大小，當“測量選擇”按鍵彈起時，儀器面板上的數(shù)字電流表顯M示的是I的大小。S轉動霍爾器件探桿支架的旋紐X、X，慢慢將霍爾器件移到螺線管的中心位置以備測

12、12量。記錄測試儀面板右上角的N、K值。H測繪V-1曲線HS取I=0.600A,并在測試過程中保持不變，依次按照表1-1所列數(shù)據(jù)調節(jié)I，用對稱測量MS法(詳見附錄)測出相應的V、V、V、V值，記入表1-1,繪制V-1曲線。1234HS表1-1測繪匕-1,曲線IHS!I(mA)SV(mV)1V(mV)2V(mV)3V(mV)4“V-V+V-V+1,+BS+1，-BS-1，-BS-1，+BSV_34(mV)H41.002.003.004.005.006.007.00備注IM=0-600A測繪V-1曲線HM取I=8.00mA,并在測試過程中保持不變，依次按照表1-2所列數(shù)據(jù)調節(jié)I,用對稱測量SM法測

13、出相應的V、V、V、V值，記入表1-2，繪制V-1曲線。1234HM表1-2測繪Vh一S曲線I(A)MV(mV)1V(mV)2V(mV)3V(mV)4“V-V+V-V+1,+BS+1，-BS-1，-BS-1，+BSV_34(mV)H40.1000.2000.3000.4000.5000.600備注jOmA2.測繪螺線管內軸線上磁感應強度分布(B-X曲線)取1=8.00mA，1=0.600A,并在測試過程中保持不變，SM以距離螺線管兩端口等遠的中心位置為坐標原點，探頭離中心位置X=14-X-X，調節(jié)旋紐X、X，使測距尺讀數(shù)X=X=O.Ocm121212先調節(jié)X旋紐，保持X=0.0cm，使X停留在

14、0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、&0、11.0、12114.0cm等讀數(shù)處，再調節(jié)X旋紐，保持X=14.0cm,使X停留在3.0、6.0、9.0、12.0、12.5、21213.0、13.5、14.0cm等讀數(shù)處，按照對稱測量法測出各相應位置的V、V、V、V值，并計1234算相對應的V及B值，記入表1-3。H表1-3測繪螺線管內軸線上磁感應強度分布(B-X曲線)X(cm)X2(cm)X(cm)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)V(mV)B(KGS)+IS，+B+1，S-B-1，-BS-1，S+B-0.50.00.00.00.50.01.00.01.50.02.00.05.00.08.00.011.00.014.00.014.03.014.06.014.09.014.012.014.012.514.013.014.013.514.014.014.014.5備注1.測繪（B-X曲線）時，螺線管兩端口附近磁場變化大，應多測幾點；2測量過程中保持Is=800訕、Im=0.600A不變。（2）繪制B-X曲線，驗證螺線管端口的磁感應強度為中心位置磁感應強度的1/2（可不考慮溫度對V的修正）。H（3）將螺線管中心的B值與理論值進行比較，求出相對誤差，分析誤差原因?！咀⒁馐马棥炕魻柶骷源嘁姿?，電極甚細易斷，實驗中調節(jié)探頭軸向位置時，要緩慢、細心地轉動有關旋