霍兒效應(yīng)測磁場

1、霍兒效應(yīng)測磁場第1頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四注意事項(xiàng)安全人身安全電儀器安全調(diào)節(jié)旋鈕等用力不能過猛、速度不能太快特殊儀器應(yīng)按照使用說明的要求紀(jì)律嚴(yán)禁抄襲（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)報(bào)告），否則本次實(shí)驗(yàn)成績0分第2頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證霍爾效應(yīng)機(jī)理。學(xué)習(xí)霍爾元件測量磁場的方法。【重點(diǎn)】霍爾效應(yīng)機(jī)理【難點(diǎn)】霍爾效應(yīng)機(jī)理、磁場分布的描繪第3頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四二、背景介紹霍爾效應(yīng)是磁效應(yīng)的一種，由美國物理學(xué)家Hall于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)?；魻栃?yīng)（Hall effect）是指

2、當(dāng)固體導(dǎo)體有電流通過，且放置在一個(gè)磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓。除導(dǎo)體外，半導(dǎo)體也能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)要強(qiáng)于導(dǎo)體。第4頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四三、實(shí)驗(yàn)原理要求從三個(gè)方面來掌握霍爾效應(yīng)B的測量霍爾電壓的測量方法第5頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四1、霍爾效應(yīng)圖片來源：維基百科當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）時(shí)，在導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）內(nèi)部的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差，這一效應(yīng)即為霍爾效應(yīng)。圖中1. 電子；2. 導(dǎo)體；3. 磁鐵；4. 磁場；5. 電源第6頁，共25頁，2

3、022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四設(shè)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）中電子濃度為n，則電流可表示為每個(gè)電子在磁場B的作用下，受力為于是電子在的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在上表面聚集，從而在上、下表面之間出現(xiàn)出現(xiàn)電勢差VH，稱為Hall電壓。這個(gè)電壓與B之間的關(guān)系可表示為于是式中霍爾元件的靈敏度。（mVmA-1T-1）第7頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四如果半導(dǎo)體是P型，則載流子是空穴，受力方向不變，但上表面積累的是正電荷，此時(shí) 其中，p是空穴濃度。VH的方向隨電流的換向而換向，同時(shí)，也隨著磁場B的換向而換向。KH越大，VH越容易測量?？傊?頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)

4、41分，星期四2、B的測量對于Hall元件，只要分別測出工作電流I和Hall電壓VH，由元件的KH即可測出B第9頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四3、VH的測量方法一般Hall元件上有兩對電極。M、N為工作電流端，S、P為Hall電壓端。P、S位于同一等勢面上。實(shí)際上，P、S端的電壓值并不只是VH，還包括其他因素的附加電壓：第10頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四實(shí)際測量中應(yīng)考慮這些附加電壓并想辦法消除它們的影響，找出實(shí)際的VH根據(jù)附加電壓的特征，可采用工作電流I和/或磁場B換向來解出VH的值。設(shè)圖中所示I和B的方向?yàn)檎?，則反之為負(fù)，于是，于是通

5、常，這里的UE可略去，即第11頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四四、實(shí)驗(yàn)儀器霍爾磁場測試組合實(shí)驗(yàn)儀：TH-H型、HJL型；導(dǎo)線6根。TH-H型HJL型實(shí)驗(yàn)箱配套測試儀第12頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四1、配套測試儀型號Is輸出VH輸入即測量值UiIM輸出請注意看儀器面板上的說明第13頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四2、實(shí)驗(yàn)箱換向開關(guān)，用于改變I、B的方向注意兩種儀器的接線位置不一樣標(biāo)尺，用于調(diào)整Hall元件的位置第14頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四五、操作步驟分為兩大項(xiàng)內(nèi)容霍爾元件輸出特

6、性測量，VH-Is曲線；測繪磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線，B-X曲線。整理儀器、打掃衛(wèi)生。因?yàn)橛?種型號的霍爾效應(yīng)組合實(shí)驗(yàn)儀，儀器操作旋鈕布局、結(jié)構(gòu)和具體操作上有些地方不太一樣，請注意區(qū)分。第15頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四A、 霍爾元件輸出特性測量A.1按圖示位置正確無誤接上測試儀和實(shí)驗(yàn)箱之間相對應(yīng)的IS，VH， 和IM各組接線，并經(jīng)檢查后開啟測試儀的電源；注意：兩種儀器接線位置不同，且原有布線也不同。原來已經(jīng)連接好的線不要再動(dòng)。第16頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四A.23A.2 轉(zhuǎn)動(dòng)Hall元件支架的水平部分旋鈕X，緩慢將Hall元件移

7、到2個(gè)磁鐵頭之間縫隙中的中心位置；A.3測繪VH-IS曲線：根據(jù)不同型號的儀器所對應(yīng)的電流范圍，表 1。取IM= A，依次調(diào)節(jié)IS等于表2中 IS的對應(yīng)值。按原理中3所述換向法測出對應(yīng)的U1,U2,U3,U4，記入后面表2。儀器型號Is范圍（mA）Im范圍（A）TH-H240.20.8HJL2100.20.8表 1 不同儀器的工作電流范圍第17頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四A.附如果時(shí)間允許，請按照類似的方法繼續(xù)測量VH-IM曲線取IS = mA，IM 依次取0.2，0.3，0.4，0.8A，按照類似A、3的方法測繪VH-IM 曲線；第18頁，共25頁，2022年，

8、5月20日，14點(diǎn)41分，星期四B、 測繪磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線B.1取IS = mA，IM = A；（參照表1中的范圍）B.2 以標(biāo)尺的最右端為坐標(biāo)原點(diǎn)，記下此時(shí)的位置x0，調(diào)節(jié)X1，每隔5mm測一組數(shù)據(jù)，直到標(biāo)尺的最左端（大約是刻度50mm）。將對應(yīng)的U1，U2，U3，U4 記入后面的表3；注意：有的標(biāo)尺無法調(diào)節(jié)到最大刻度60或最小刻度0，請不要強(qiáng)力調(diào)節(jié)，以免損壞。之所以從最右端開始，是因?yàn)槿绻麖淖钭蠖碎_始，結(jié)束時(shí)旋鈕可能位于實(shí)驗(yàn)箱邊緣，如果不注意，合上實(shí)驗(yàn)箱蓋的時(shí)候容易損壞。第19頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四C、整理儀器、打掃衛(wèi)生C.1將雙擲開關(guān)斷開，關(guān)閉

9、測試儀的電源；C.2將自己連接上去的6根連接導(dǎo)線取下；C.3小心地合上實(shí)驗(yàn)箱的蓋子；C.4關(guān)閉桌面電源；C.5用擰干的濕抹布將實(shí)驗(yàn)臺(tái)和儀器表面擦一遍；C.6打掃實(shí)驗(yàn)室。第20頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四六、數(shù)據(jù)記錄與處理霍爾元件輸出特性IM= A，取KH=500mV/（mAT）根據(jù)表2，計(jì)算VH，并作VH-IS曲線；理論上VH-IS曲線是一條直線，求出其斜率K；IS(mA)TH-H型2.002.252.50 4.00HJL型2.003.004.00 10.00U1(mV) U2(mV) U3(mV) U4(mV) UH(mV) 數(shù)據(jù)處理方法及作圖要求參考指導(dǎo)書第一

10、章相關(guān)內(nèi)容表 2 VH-Is數(shù)據(jù)記錄表第21頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四磁感應(yīng)強(qiáng)度分布取IS= mA；Im= A。計(jì)算出表中的UH，B；（注意進(jìn)行單位換算）作B-X曲線，并解釋曲線的形狀所代表的含義。X(cm)x0 x1x2U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)UH(mV)表 3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)記錄表第22頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四七、 實(shí)驗(yàn)中易出現(xiàn)的問題及解決方法調(diào)節(jié)Is、Im旋鈕時(shí)測試儀上相應(yīng)讀數(shù)沒變化。A、請檢查對應(yīng)的雙擲開關(guān)是否閉合。B、對于TH-H型儀器，還要檢查“測量選擇”是否按照標(biāo)識(shí)正確放置了。測試儀上VH顯示為-1。請檢查VH對應(yīng)的雙擲開關(guān)是否閉合。如果是，則是因?yàn)閂H太大，超出了儀表的量程。測量磁感應(yīng)強(qiáng)度分布時(shí)，為什么不同位置處的測量值基本不變。該實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的磁場相當(dāng)于兩塊磁鐵的N極和S極相對，并離開一定距離時(shí)的磁場分布?？紤]到該實(shí)驗(yàn)中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的實(shí)際情況，自行判斷。第23頁，共25頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)41分，星期四八、課堂討論題測量磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的時(shí)候，如何選取測試位置X更恰當(dāng)？根據(jù)兩磁鐵中間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律，在中間位置時(shí)，測量間隔可適當(dāng)取大