霍儿效应测磁场

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,霍尔效应测磁场,大学物理实验,物理实验中心第,8,实验室,注意事项,安全,人身安全,电,仪器安全,调节,旋钮等,用力不能过猛、速度不能太快,特殊仪器应按照使用说明的要求,纪律,严禁抄袭（实验数据或实验报告），否则本次实验成绩,0,分,一、实验目的,验证霍尔效应机理。,学习霍尔元件测量磁场的方法。,【,重点,】,霍尔效应机理,【,难点,】,霍尔效应机理、磁场分布的描绘,二、背景介绍,霍尔效应是磁效应的一种，由美国物理学家,Hall,于,1879,年在研究金属的导电机理时发现。,霍尔效应（,Hall effect,）是指当固体导体有电流通过，且放置在一个磁场内，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压,。,除导体外，半导体也能产生霍尔效应，而且半导体的霍尔效应要强于导体。,三、实验原理,要求从三个方面来掌握,霍尔效应,B,的测量,霍尔电压的测量方法,1,、霍尔效应,图片来源：,维基百科,当电流垂直于外磁场通过导体（或半导体）时，在导体（或半导体）内部的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一效应即为霍尔效应。,图中,1.电子；2.导体；3.磁铁；4.磁场；5.电源,设导体（或半导体）中电子浓度为,n,，则电流可表示为,每个电子在磁场,B,的作用下，受力为,于是电子在,的作用下发生偏转，在上表面聚集，从而在上、下表面,之间出现出现电势差,VH,，称为,Hall,电压。,这个电压与,B,之间的关系可表示为,于是,式中,霍尔元件的灵敏度。（,mVmA,-1,T,-1,）,如果半导体是,P,型，则载流子是空穴，受力方向不变，但上表面积累的是正电荷，此时,其中，,p,是空穴浓度。,V,H,的方向随电流的换向而换向，同时，也随着磁场,B,的换向而换向。,。,K,H,越大，,V,H,越容易测量。,总之,2,、,B,的测量,对于,Hall,元件，只要分别测出工作电流,I,和,Hall,电压,V,H,，由元件的,K,H,即可测出,B,3,、,V,H,的测量方法,一般,Hall,元件上有两对电极。,M,、,N,为工作电流端，,S,、,P,为,Hall,电压端。,P,、,S,位于同一等势面上。,实际上，,P,、,S,端的电压值并不只是,V,H,，还包括其他因素的附加电压：,不等位电压,U,O,能斯脱效应,U,N,厄廷豪森效应,U,E,里纪勒杜克效应U,RL,实际测量中应,考虑这些附加电压并想办法消除它们的影响，找出实际的,V,H,根据附加电压的特征，可采用工作电流,I,和,/,或磁场,B,换向来解出,V,H,的值。,设,图,中所示,I,和,B,的方向为正，则反之为负，于是，,于是,通常，这里的,U,E,可略去，即,四、实验仪器,霍尔磁场测试组合实验仪：,TH-H,型、,HJL,型；导线,6,根。,TH-H,型,HJL,型,实验箱,配套测试仪,1,、配套测试仪,型号,I,s,输出,V,H,输入,即测量值,U,i,I,M,输出,请注意看仪器面板上的说明,2,、实验箱,换向开关，用于改变,I,、,B,的方向,注意两种仪器的接线位置不一样,标尺，用于调整,Hall,元件的位置,五、操作步骤,分为两大项内容,霍尔元件输出特性测量,，,V,H,-I,s,曲线；,测绘磁场的磁感应强度分布曲线,，,B-X,曲线。,整理仪器、打扫卫生。,因为有,2,种型号的霍尔效应组合实验仪，仪器操作旋钮布局、结构和具体操作上有些地方不太一样，请注意区分。,A,、,霍尔元件输出特性测量,A.1,按图示位置,正确无误接上测试仪和实验箱之间相对应的I,S,，V,H,，,和I,M,各组接线，并经检查后开启测试仪的电源,；,注意：,两种仪器接线位置不同，且原有布线也不同。,原来已经连接好的线不要再动。,A.23,A.2,转动Hall元件支架的,水平部分,旋钮X，缓慢将Hall元件移到2,个磁铁头之间缝隙中,的中心位置；,A.3,测绘V,H,-I,S,曲线,：根据不同型号的仪器所对应的电流范围，表 1。取I,M,=,A，依次调节I,S,等于表2中 I,S,的,对应值。按原理中3所述换向法测出对应的U,1,U,2,U,3,U,4,，记入,后面,表2。,仪器型号,Is,范围,（,mA,）,Im,范围,（,A,）,TH-H,24,0.20.8,HJL,210,0.20.8,表,1,不同仪器的工作电流范围,A.,附,如果时间允许，请按照类似的方法继续测量,V,H,-I,M,曲线,取I,S,=,mA，I,M,依次取0.2，0.3，0.4，0.8A，按照类似A、3的方法测绘V,H,-I,M,曲线；,B,、,测绘磁场的磁感应强度分布曲线,B.1,取,I,S,=,mA,，,I,M,=,A,；,（参照表,1,中的范围）,B.2,以标尺的最右端为坐标原点，记下此时的位置x,0,，调节X,1,，每隔5mm测一组数据，直到标尺的最,左,端（大约是刻度50mm）。将对应的U,1,，U,2,，U,3,，U,4,记入,后面的,表3；,注意：,有的标尺无法调节到,最大刻度,60,或最小刻度,0,，请不要强力调节，以免损坏。,之所以从最右端开始，是因为如果从最左端开始，结束时旋钮可能位于实验箱边缘，如果不注意，合上实验箱盖的时候容易损坏。,C,、整理仪器、打扫卫生,C.1,将双掷开关断开，关闭测试仪的电源；,C.2,将自己连接上去的,6,根连接导线取下；,C.3,小心地合上实验箱的盖子；,C.4,关闭桌面电源,；,C.5,用,拧干,的湿抹布将实验台和仪器表面擦一遍；,C.6,打扫实验室。,六、数据记录与处理,霍尔元件输出特性,I,M,=,A,，取,K,H,=500mV/,（,mAT,）,根据表,2,，计算,V,H,，并作,V,H,-I,S,曲线；,理论上V,H,-I,S,曲线是一条直线，求出其斜率K；,I,S,(mA),TH-H,型,2.00,2.25,2.50,4.00,HJL,型,2.00,3.00,4.00,10.00,U,1,(mV),U,2,(mV),U,3,(mV),U,4,(mV),U,H,(mV),数据处理方法及作图要求参考指导书第一章相关内容,表,2,V,H,-I,s,数据记录表,磁感应强度分布,取,I,S,=,mA；Im=,A。,计算出表中的,U,H,，,B,；（注意进行单位换算）,作B-X曲线，并解释曲线的形状所代表的含义。,X(cm),x,0,x,1,x,2,U,1,(mV),U,2,(mV),U,3,(mV),U,4,(mV),U,H,(mV),表 3 磁感应强度分布数据记录表,七、,实验中易出现的问题及解决方法,调节,Is,、,Im,旋钮时测试仪上相应读数没变化。,A,、请检查对应的双掷开关是否闭合。,B,、对于,TH-H,型仪器，还要检查“测量选择”是否按照标识正确放置了。,测试仪上,VH,显示为,-1,。,请检查,VH,对应的双掷开关是否闭合。如果是，则是因为,VH,太大，超出了仪表的量程。,测量磁感应强度分布时，为什么不同位置处的测量值基本不变。,该实验中产生的磁场相当于两块磁铁的,N,极和,S,极相对，并离开一定距离时的磁场分布。考虑到该实验中磁感应强度分布的实际情况，自行判断。,八、课堂讨论题,测量磁感应强度分布的时候，如何选取测试位置,X,更恰当？,根据两磁铁中间磁感应强度分布规律，在中间位置时，测量间隔可适当取大些，而在靠近边缘和超出磁铁头之外的位置，磁感应强度变化明显，应该间隔适当取小些。,如果能够理解，可在测量的时候自己根据实际情况取测量点。,九、思考题,如果霍尔元件与磁场没有严格垂直而是有一个小的夹角，对结果有什么影响？,