霍爾效應(yīng)教案

1、霍爾效應(yīng)教案【篇一：霍爾式傳感器教案】教案用紙附頁(yè)教案用紙附頁(yè)教案用紙附頁(yè)教案用紙附頁(yè)教案用紙附頁(yè)【篇二：利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)教案】利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)【教學(xué)目的】.使學(xué)生了解霍爾電壓產(chǎn)生的機(jī)制；.使學(xué)生學(xué)會(huì)用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的基本方法【重點(diǎn)與難點(diǎn)】重點(diǎn)：霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原理；難點(diǎn)：1、霍爾電壓的產(chǎn)生機(jī)制；2、消除附加效應(yīng)的方法【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】.霍爾元件輸出特性測(cè)量（測(cè)繪 vh-is曲線。vh-im曲線）.測(cè)繪螺線管軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布曲線【教學(xué)方法】口頭講述、板書(shū)、實(shí)驗(yàn)演示【教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)】1、內(nèi)容的引入：提問(wèn)：（1）、電荷在磁場(chǎng)中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到什么力的作用?這個(gè)力會(huì)使電荷的運(yùn)動(dòng)發(fā)生怎樣

2、的變化？（洛倫茲力；圓周運(yùn)動(dòng)）（2）、什么是霍爾效應(yīng)？ 霍爾電壓是怎樣產(chǎn)生的？（見(jiàn)實(shí)驗(yàn)原理）2、重點(diǎn)講解（一）、實(shí)驗(yàn)原理（1）霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講，是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力的 作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材 料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷 在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫向電場(chǎng)。如圖所示，磁場(chǎng) b 位于z的正向，與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿x正向通以電流is （稱為工作電流），假設(shè)載流子為電子（n型半導(dǎo)體材料），它沿著與電 流is相反的x負(fù)向運(yùn)動(dòng)。由于洛侖茲力fl作用，電子即向圖中虛線箭頭所指的位于 y軸負(fù)方 向的b側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使b

3、側(cè)形成電子積累，而相對(duì)的 a側(cè)形成正電荷 積累。與此同時(shí)運(yùn)動(dòng)的電子還受到由于兩種積累的異種電荷形成的 反向電場(chǎng)力f e的作用。隨著電荷積累的增加，f e增大，當(dāng)兩力大 小相等（方向相反）時(shí)，f l= -f e,則電子積累便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這 時(shí)在a、b兩端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)eh,相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)uh。設(shè)電子按均一速度v,向圖示的x負(fù)方向運(yùn)動(dòng)， 在磁場(chǎng)b作用下，所受洛侖茲力為：f l= evb式中：e為電子電量，v為電子漂移平均速度，b為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 同時(shí)，電場(chǎng)作用于電子的力為：fe=-eeh=euhl式中：eh為霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度，vh為霍爾電勢(shì)，l為霍爾元件寬度 當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)：

4、f l= f e vb=uh/l （1）設(shè)霍爾元件寬度為l,厚度為d ,載流子濃度為n ,則霍爾元件的 工作電流為is=nevld 由（1）、（2）兩式可得：uh=ehl=1isbisb（3） =rhneddrh=8即霍爾電壓vh （a、b間電壓）與is、b的乘積成正比，與霍爾元件 的厚度成反比，比例系數(shù) 1ne稱為霍爾系數(shù)（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，對(duì)于半導(dǎo) 體材料，在弱磁場(chǎng)下應(yīng)引入一個(gè)修正因子a =，從而當(dāng)霍爾元件的材料和厚度確定時(shí)，設(shè)：kh=rh/d=l/ned （5）將式（5）代入式（3）中得：uh=khisb （6）式中：kh稱為元件的靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和 單位控制電流下的霍爾電

5、勢(shì)大小，其單位是mv/ma?t, 一般要求kh愈大愈好。由于金屬的電子濃度 (n)很高，所以它的rh或kh ,都不大，因此不適宜作霍爾元件。此 外元件厚度d愈薄，kh愈高，所以制作時(shí)，往往采用減少d的辦法來(lái)增加靈敏度，但不能認(rèn)為d愈薄愈好，因?yàn)榇藭r(shí)元件的輸入和輸出電阻將會(huì)增加，這對(duì)霍爾元件是不希望的。本實(shí)驗(yàn)采用的霍爾片 的厚度d為0.2mm ,為1.5mm ,長(zhǎng)度l為1.5mm 。uh=khisbcosbuh=khisbcosb=khisb (7)由式(7)可知，當(dāng)工作電流is或磁感應(yīng)強(qiáng)度b,兩者之一改變方 向時(shí)，霍爾電勢(shì)uh方向隨之改變；若兩者方向同時(shí)改變，則霍爾電 勢(shì)uh極性不變。(2)螺

6、線管的磁場(chǎng)強(qiáng)度：根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，對(duì)于長(zhǎng)度為 2l,匝數(shù)為n1,半徑為r的螺線管 離開(kāi)中心點(diǎn)x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為?uni x+lx-lb=-1/22 2(2 r2+(x+l)21/2r+x-l)?匝，總長(zhǎng)度為2l=183mm 。對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)”螺線管，lr,所以對(duì)于 半無(wú)限長(zhǎng)”螺線管，在端點(diǎn)處有x=l ,且lr,所以(3)實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)及其消除法測(cè)量霍爾電勢(shì)uh時(shí)，不可避免的會(huì)產(chǎn)生一些副效應(yīng)，由此而產(chǎn)生 的附加電勢(shì)疊加在霍爾電勢(shì)上，形成測(cè)量系統(tǒng)誤差，這些副效應(yīng)有： 1)不等位電勢(shì)u0由于制作時(shí)，兩個(gè)霍爾電勢(shì)不可能絕對(duì)對(duì)稱的焊在霍爾片兩側(cè)(圖2-4a)、霍爾片電阻率不均勻、控制電流極的端面接觸不良

7、(圖 2- 4b)都可能造成a、b兩極不處在同一等位面上，此時(shí)雖未加磁場(chǎng)， 但a、b間存在電勢(shì)差u0 ,此稱不等位電勢(shì)，u0 = isr0 , r0是兩等 位面間的電阻，由此可見(jiàn)，在 r0確定的情況下，u0與is的大小成 正比，且其正負(fù)隨is的方向而改變。圖2-4a圖 2-4b2)愛(ài)廷豪森效應(yīng)當(dāng)元件x方向通以工作電流is, z方向加磁場(chǎng)b時(shí)，由于霍爾片內(nèi) 的載流子速度服從統(tǒng)計(jì)分布，有快有慢。在到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在磁 場(chǎng)的作用下慢速快速的載流子將在洛侖茲力和霍耳電場(chǎng)的共同作用下，沿y軸分別向相反的兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，這些載流子的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為熱能，使兩側(cè)的溫升不同，因而造成y方向上的兩側(cè)的溫差（tatb）因?yàn)?/p>

8、霍爾電極和元件兩者材料不同，電極和元件之間形成溫差電偶， 這一溫差在a、b間產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)ue , ue 0cib。這一效應(yīng)稱愛(ài)廷 豪森效應(yīng)，ue的大小與正負(fù)符號(hào)與i、b的大小和方向有關(guān)，跟 uh 與i、b的關(guān)系相同，所以不能在測(cè)量中消除。3）倫斯脫效應(yīng)圖2-5正電子運(yùn)動(dòng)平均速度圖中v vv v由于控制電流的兩個(gè)電極與霍爾元件的接觸電阻不同，控制電流在 兩電極處將產(chǎn)生不同的焦耳熱，引起兩電極間的溫差電動(dòng)勢(shì)，此電 動(dòng)勢(shì)又產(chǎn)生溫差電流（稱為熱電流）iq,熱電流在磁場(chǎng)作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在y方向上產(chǎn)生附加的電勢(shì)差 un ,且un 0c iq這一效應(yīng) 稱為倫斯脫效應(yīng)，由上式可知 uh的符號(hào)只與b的方

9、向有關(guān)。4）里紀(jì)杜勒克效應(yīng)如（3）所述霍爾元件在x方向有溫度梯度_dt ,引起載流子沿梯度 方向擴(kuò)散而有熱電流ih通過(guò)元件，dx在此過(guò)程中載流子受z方向的磁場(chǎng)b作用下，在y方向引起類(lèi)似愛(ài) 廷豪森效應(yīng)的溫差ta tb,由此產(chǎn)生的電勢(shì)差 ur0ch,其符號(hào)與b 的方向有關(guān)，與 is 的方向無(wú)關(guān)。為了減少和消除以上效應(yīng)的附加電勢(shì)差，利用這些附加電勢(shì)差與霍爾元件工作電流is,磁場(chǎng)b （即相應(yīng)的勵(lì)磁電流im）的關(guān)系，采用 對(duì)稱（交換）測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。當(dāng) + is ,+ im時(shí)uab1= + uh+ u0 + ue + un + ur當(dāng) + is , im時(shí)uab2= uh+ u0 ue + un + u

10、r當(dāng)一is , im時(shí)uab3= + uh u0 + ue un ur當(dāng)一is ,+ im時(shí)u ab4= uh u0 ue un ur對(duì)以上四式作如下運(yùn)算則得：i1 （uab1 uab2+uab3 uab4 ） = uh + ue 4可見(jiàn)，除愛(ài)廷豪森效應(yīng)以外的其他副效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差會(huì)全部消除， 因愛(ài)廷豪森效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢(shì)差ue的符號(hào)和霍爾電勢(shì)uh的符號(hào)，與is及b的方向關(guān)系相同，故無(wú)法消除，但在非大電流、非強(qiáng)磁場(chǎng) 下，uhue ,因而ue可以忽略不計(jì)，由此可得：uh uh+ ue =u1-u2+u3-u44（二卜實(shí)驗(yàn)儀器操作：1）實(shí)驗(yàn)儀器：dh4512型霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)組合儀2）使用說(shuō)明：1、測(cè)試

11、儀的供電電源為交流 220v, 50hz,電源進(jìn)線為單相三線。2、電源插座安裝在機(jī)箱背面，保險(xiǎn)絲為1a,置于電源插座內(nèi)，電源開(kāi)關(guān)在面板的左側(cè)。3、實(shí)驗(yàn)架各接線柱連線接線柱1連接到霍爾片的工作電流端（紅色插頭與紅色插座相聯(lián),黑 色插頭與黑色插座相聯(lián)）接線柱2連接到測(cè)試儀上霍爾工作電流 is 端（紅色插頭與紅色插座相聯(lián),黑色插頭與黑色插座相聯(lián)）接線柱3電流換向開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)即可接線柱7連接到測(cè)試儀磁場(chǎng)勵(lì)磁電流 im端（紅色插頭與紅色插座相 聯(lián)，黑色插頭與黑色插座相聯(lián)）接線柱8用一邊是分開(kāi)的接線插、一 邊是雙芯插頭的控制連接線與測(cè)試儀背部的插孔相連接（紅色插頭與紅色插座相聯(lián),黑色插頭與黑色插座相聯(lián)）接

12、線柱9、10連接到磁場(chǎng)勵(lì)磁線圈端子，出廠前已在內(nèi)部連接好，實(shí) 驗(yàn)時(shí)不再接線5、將控制連接線一端插入測(cè)試儀背部的二芯插孔，另一端連接到實(shí) 驗(yàn)架的控制接線端子上。6、儀器開(kāi)機(jī)前應(yīng)將is、im調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐降?，使其輸?電流趨于最小狀態(tài)，然后再開(kāi)機(jī)。7、儀器接通電源后，預(yù)熱數(shù)分鐘即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。8、 “is調(diào)節(jié)”和“im調(diào)節(jié)”分別來(lái)控制樣品工作電流和勵(lì)磁電流的大小，其電流隨旋鈕順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而增加，細(xì)心操作。9、關(guān)機(jī)前，應(yīng)將“is調(diào)節(jié)”和“im調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐降?，?其輸出電流趨于零，然后才可切斷電源。實(shí)驗(yàn)架各接線柱連線說(shuō)明圖【篇三：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)電子教案模板】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教案實(shí)驗(yàn)題目霍

13、耳效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)基本實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)3教師冷雪松教學(xué)目的1、熟悉和掌握霍爾磁場(chǎng)測(cè)試儀器和霍爾效應(yīng)裝置的使用方法2、了解霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原理3、學(xué)習(xí)和掌握了用霍爾效應(yīng)的方法測(cè)量磁場(chǎng)4、學(xué)習(xí)霍爾效應(yīng)研究半導(dǎo)體材料的性能的方法以及消除副效應(yīng)影響 的方法重點(diǎn)消除副效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響難點(diǎn)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理怎樣消除影響測(cè)量準(zhǔn)確性的附加效應(yīng)教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)課前的準(zhǔn)備：儀器設(shè)備的檢查，注意要校準(zhǔn)祛碼。實(shí)驗(yàn)的預(yù)做（采集三組以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理）。作出數(shù)據(jù)表格設(shè)計(jì)的參考。課上教學(xué)的設(shè)計(jì)：一、課上的常規(guī)檢查（預(yù)習(xí)報(bào)告、數(shù)據(jù)表格的設(shè)計(jì)等）。（5分鐘）二、講解的設(shè)計(jì)（30分鐘）1、引言德國(guó)物理學(xué)家霍爾（e.h.hall

14、） 1879年研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，任何導(dǎo)體通以電流時(shí)，若存在垂直于電流方向的磁場(chǎng)，則導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生與電流和磁場(chǎng)方向都垂直的電場(chǎng)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，它是一種磁電效應(yīng)（磁能轉(zhuǎn)換為電能）。二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，由于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，先后制成了多種有顯著霍爾效應(yīng)的材料，這一效應(yīng)的應(yīng)用研究也隨之發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)在，霍爾效應(yīng)已在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在測(cè)量技術(shù)中，典型的應(yīng)用是測(cè)量磁場(chǎng)。測(cè)量磁場(chǎng)方法不少，但其中以霍爾效應(yīng)為機(jī)理的測(cè)磁方法因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量速度快掌握用磁電傳感器一一霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)的基本方法，學(xué)習(xí)用異號(hào)法消除不等位電壓產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差

15、。2、提出本實(shí)驗(yàn)的目的與任務(wù)，講授為完成本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原則實(shí)驗(yàn)原理霍爾效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖磁力的作用后發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，當(dāng)霍爾電場(chǎng)力與洛侖磁力平衡時(shí)，霍爾片中載流子不在遷移，這樣就在霍爾片的上下兩個(gè)平面間形成了恒定的電位差一一霍爾電位差uh,實(shí)驗(yàn)測(cè)定系數(shù)rh=1/ne稱為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，載流子濃度n越小，則rh越大，uh也越大，所以只有當(dāng)半導(dǎo)體（n比金屬的小得多）出現(xiàn)以 后，霍爾效應(yīng)的應(yīng)用才得以發(fā)展。對(duì)于特定的霍爾元件，其厚度 d確定，定義霍爾靈敏度kh=rh /d , kh與霍爾片的材料性質(zhì)、幾何尺寸有關(guān)，對(duì)于一定的霍爾片，其為常數(shù)。這樣上式

16、是霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)的基本理論依據(jù)，只要已知kh ,用儀器測(cè)出i及uh ,則可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度bo3、實(shí)驗(yàn)的拓展：（由本實(shí)驗(yàn)的完成深化和延伸所學(xué)的知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生利用現(xiàn)有的設(shè)備拓展出新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。）1）、測(cè)量霍爾元件的不等位電勢(shì)差2）、測(cè)量霍爾片的特性曲線.數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理要求用做圖法處理數(shù)據(jù).介紹主要儀器設(shè)備與使用.強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中要注意的問(wèn)題1）、霍爾片又薄又脆，切勿用手摸。2）、霍爾片允許通過(guò)電流很小，切勿與勵(lì)磁電流接錯(cuò)！3）、電磁鐵通電時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng)，以防電磁鐵線圈過(guò)熱影響測(cè)量結(jié)果。三、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始（100分鐘）四、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)前30分鐘不解答問(wèn)題，給學(xué)生自己理解消化

17、的時(shí)間,30分鐘后邊 指導(dǎo)邊提出一些問(wèn)題啟發(fā)學(xué)生解答.重點(diǎn)輔導(dǎo)：五、檢查實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，簽字六、實(shí)驗(yàn)小結(jié)（實(shí)驗(yàn)結(jié)束前的 10分鐘）1、驗(yàn)中有哪些影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素？2、用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，是如何利用多次測(cè)量來(lái)減小測(cè)量不確定度的？3、拓展題目完成的意義。時(shí)間的掌握：留由5分鐘機(jī)動(dòng)的時(shí)間。講作圖法課后思考題.分析本實(shí)驗(yàn)主要誤差來(lái)源，計(jì)算磁場(chǎng) b的合成不確定度。.以簡(jiǎn)圖示意，用霍爾效應(yīng)法判斷霍爾片上磁場(chǎng)方向。.如何測(cè)量交變磁場(chǎng)，寫(xiě)出主要步驟。參考文獻(xiàn).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，李學(xué)慧、高峰等編，高等教育出版社，出版時(shí)間2005年6月.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，高峰等編，東北大學(xué)出版社，出版時(shí)間 1994年3月板書(shū)內(nèi)容霍耳

18、效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)的題目，在黑板的中央。第一板實(shí)驗(yàn)的目的1、熟悉和掌握霍爾磁場(chǎng)測(cè)試儀器和霍爾效應(yīng)裝置的使用方法2、了解霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的原理3、學(xué)習(xí)和掌握了用霍爾效應(yīng)的方法測(cè)量磁場(chǎng)4、學(xué)習(xí)霍爾效應(yīng)研究半導(dǎo)體材料的性能的方法以及消除副效應(yīng)影響 的方法重點(diǎn)與難點(diǎn)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理2、消除影響測(cè)量準(zhǔn)確性的附加效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理（將原理部分與原理圖分成兩塊）.原理部分（左側(cè)）霍爾效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖磁力的作用后發(fā)生偏 轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，當(dāng)霍爾電場(chǎng)力與洛侖磁力平衡時(shí)，霍爾片中載流子不 在遷移，這樣就在霍爾片的上下兩個(gè)平面間形成了恒定的電位差一一霍爾電位差uh,實(shí)驗(yàn)測(cè)定系數(shù)rh=1/ne稱為霍爾系數(shù)，是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)， 載流子濃度n越小，則rh越大，uh也越大，所以只有當(dāng)半導(dǎo)體（n比 金屬的小得多）出現(xiàn)以后，霍爾效應(yīng)的應(yīng)用才得以發(fā)展。對(duì)于特定的 霍爾元件，其厚度d確定，定義霍爾靈敏度 kh=rh /d , kh