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霍爾效應(yīng)1.電子2.導(dǎo)體
3.磁鐵4.磁場5.電源置于磁場中的導(dǎo)體,如果電流方向與磁場垂直,電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,則在垂直于電流和磁場的方向形成電壓,稱為霍爾效應(yīng)電場力與洛倫茲力平衡,產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)要強(qiáng)于導(dǎo)體7霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)是于1879年由美國約翰·霍普金斯大學(xué)羅蘭教授的二年級研究生霍爾研究金屬的導(dǎo)電機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)電子,也沒有人知道金屬中導(dǎo)電的機(jī)理霍爾注意到著名的英國物理學(xué)家麥克斯韋和瑞典物理學(xué)家愛德朗在一個問題上的分岐EdwinHerbertHall(1855-1938)8霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)愛德朗在1878年發(fā)表的一篇論文中明確指出:我們必須記住,作用在穿過磁力線的有電流流過的導(dǎo)體上的機(jī)械力,不是作用在電流上的,而是作用在流過電流的導(dǎo)體上的。……在導(dǎo)體中,電流的本身完全不受磁鐵接近或其他電流的影響
麥克斯韋在《電和磁》一書中寫道:磁鐵作用在一固定導(dǎo)體中的電流上,與它作用在自由移動的導(dǎo)體上完全相同的9霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)霍爾在羅蘭教授的支持下,準(zhǔn)備用實(shí)驗(yàn)來回答這樣一個問題:磁場對于在導(dǎo)線中通過的電流到底有沒有影響?霍爾將這一發(fā)現(xiàn)以《磁鐵對電磁的新作用》一文發(fā)表于當(dāng)年《美國數(shù)學(xué)雜志》上.當(dāng)時(shí)新聞界譽(yù)為“過去五十年中電學(xué)方面最重要的發(fā)現(xiàn).”著名的英國物理學(xué)家開爾文認(rèn)為,霍爾的發(fā)現(xiàn)可以和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)相比擬英國物理學(xué)家洛奇也曾有類似想法,但懾于麥克斯韋的權(quán)威,放棄實(shí)驗(yàn)。遺憾!不迷信權(quán)威,尊重科學(xué),敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)!不怕失敗,反復(fù)實(shí)踐,堅(jiān)韌不拔的精神!10量子霍耳效應(yīng)霍爾效應(yīng)的發(fā)展分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)1980年,德國物理學(xué)家馮?克利青1985年的諾貝爾物理學(xué)獎1982年,美國物理學(xué)家崔琦,勞克林,施特默1998年的諾貝爾物理學(xué)獎。量子自旋霍爾效應(yīng)美國物理學(xué)家張首晟預(yù)言,已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)美國《科學(xué)》雜志評出的2007年十大科學(xué)進(jìn)展之一11霍爾效應(yīng)的應(yīng)用——霍爾器件測量半導(dǎo)體特性測量磁場磁流體發(fā)電電磁無損探傷霍爾傳感器1959年第一個商品化的霍爾器件問世1960年就發(fā)展成為近百種通用型的測量儀器12霍爾效應(yīng)的基本原理IqFelFmBdbUH:霍爾電壓Fm=Fen:載流子濃度;KH:霍爾元件的靈敏度;RH
:霍爾系數(shù),只與所用材料的載流子性質(zhì)有關(guān)UH>0,電子導(dǎo)電UH<0,空穴導(dǎo)電13霍爾效應(yīng)的應(yīng)用研究半導(dǎo)體材料的性能(1)測量載流子濃度(2)測量電導(dǎo)率(單位體積的電阻的倒數(shù))遷移率表征導(dǎo)電材料中載流子在外電場作用下的活動能力,表示單位電場作用下載流子的平均漂移速度測磁場(3)測量遷移率14霍爾效應(yīng)中副效應(yīng)的消除不等位電勢差未加磁場時(shí),兩個測量電極也處于不同的等勢面上實(shí)驗(yàn)中首先要調(diào)零,以消除不等為電勢差各種熱電、熱磁副效應(yīng)測得的電壓除了霍爾電壓UH外還包括厄廷豪森效應(yīng)UE,里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)URL,能斯脫效應(yīng)UN這些電壓與工作電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向有關(guān),可以通過對稱測量法進(jìn)行修正15實(shí)驗(yàn)一:研究半導(dǎo)體材料的性能先將工作電流和勵磁電流調(diào)最小,以防沖擊電流損壞霍爾元件打開電源,使儀器預(yù)熱10-15分鐘16實(shí)驗(yàn)儀器電磁鐵中的磁場B的大小正比于IM
即B=CIM
,C為常數(shù)(線圈上已標(biāo)出)
AC電極間的距離即霍爾片長l=4.00mm霍爾片寬b=4.00mm
霍爾片厚d=0.50mm17IM=0.7A,IS從1.00~2.00mAUH-IS
關(guān)系測量表測霍爾電壓UH與工作電流IS的關(guān)系繪制并分析UH-IS曲線,用圖解法求霍爾元件的靈敏度KH
先將IS、IM調(diào)零,校準(zhǔn)電壓表顯示0.00V18IS=2.00mA,IM從0.200~0.700mA,UH-IM關(guān)系測量表2.測霍爾電壓UH與勵磁電流IM的關(guān)系繪制并分析UH-IM曲線,用圖解法求KH
193.測量霍爾元件的電導(dǎo)率霍爾元件尺寸參數(shù):
l=4.00mm;b=4.00mm;d=0.50mm相關(guān)參數(shù)的單位:
霍爾元件靈敏度:VA-1T-1
,
霍爾系數(shù):m3C-1電導(dǎo)率:Sm-1
載流子濃度:m-3遷移率:m2V-1sec-1
線圈C常數(shù):KGsA-1
儀器狀態(tài)不變,先對毫伏表調(diào)零,取
IM=0.000A,IS≤0.20mA,測量Uσ(即UAC)計(jì)算半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率σ、RH、n及μ參量。20實(shí)驗(yàn)二:利用霍爾效應(yīng)測磁場21亥姆霍茲線圈三維可動裝置(X,Y,Z)霍爾元件12測試架22120調(diào)節(jié)螺釘線圈距離可調(diào)2R測試架2312調(diào)節(jié)螺釘X(-200mm,200mm)測試架2412調(diào)節(jié)螺釘Y(-70mm,70mm)測試架2512調(diào)節(jié)螺釘Z(-70mm,70mm)測試架2612緊固螺釘:調(diào)節(jié)測試探桿位置注:當(dāng)兩線圈的距離為R/2時(shí),探桿也夾持在R/2處,以此類推測試架27提供霍爾片的工作電流IS調(diào)零旋鈕Is換向開關(guān)正:負(fù):信號源28用于測量霍爾片的霍爾電壓UH及Uσ
調(diào)零旋鈕UH、Uσ轉(zhuǎn)換開關(guān)
測
UH
:實(shí)驗(yàn)儀和測試架的轉(zhuǎn)換開關(guān)均按至UH
測
Uσ:實(shí)驗(yàn)儀和測試架的轉(zhuǎn)換開關(guān)均按至Uσ信號源29接到實(shí)驗(yàn)用的勵磁線圈,提供勵磁電流IM調(diào)零旋鈕IM轉(zhuǎn)向開關(guān)正:負(fù):30注意:
實(shí)驗(yàn)前將IS
、IM調(diào)零,校準(zhǔn)UH
記錄下各自測試架左上角的霍爾元件靈敏度KH31測量單個通電圓線圈1沿X軸線方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度(不用對稱法)(Y,Z=0;探桿夾持于R處)12兩線圈串聯(lián)12單線圈32測量范圍從-max到+max,每移動1cm測量一次設(shè)置IS=5.00mA,IM=0.000A,調(diào)電壓表為零,消除不等位電勢
IS=5.00mAIM=0.5AB
–X關(guān)系測量表測量單個通電圓線圈1沿X軸線方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度(不用對稱法)332.測量亥姆霍茲線圈沿X軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(Y,Z=0;探桿位置根據(jù)兩線圈間距及時(shí)更改)12兩線
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