霍尔效应法测量螺线管磁场分布

IH＝Рqvωd，霍尔效应法丈量螺线管磁场散布1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了一种电磁现象，此现象称为霍尔效应，半个多世纪此后，人们发现半导体也有霍尔效应，并且半导体霍尔效应比金属强得多。近30多年来，由高电子迁徙率的半导体系成的霍尔传感器已宽泛用于磁场丈量和半导体资料的研究。用于制作霍尔传感器的资料有多种:单晶半导体资料有锗，硅；化合物半导体有锑化铟，砷化铟和砷化镓等。在科学技术发展中，磁的应用愈来愈被人们重视。当前霍尔传感器典型的应用有：磁感觉强度丈量仪(又称特斯拉计)，霍尔地点检测器，无接点开关，霍尔转速测定仪，100A-2000A大电流丈量仪，电功率丈量仪等。在电流体中的霍尔效应也是当前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不停有新发现。1980年德国冯·克利青教授在低平和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是最近几年来凝集态物理领域最重要发现之一。当前对量子霍尔效应正在进行更深入研究，并获得了重要应用。比如用于确立电阻的自然基准，能够极为精准地测定光谱精美构造常数等。经过本实验学会除去霍尔元件副效应的实验丈量方法，用霍尔传感器丈量通电螺线管内激励电流与霍尔输出电压之间关系，证明霍尔电势差与螺线管内磁感觉强度成正比；了解和熟习霍尔效应重要物理规律,证明霍尔电势差与霍尔电流成正比；用通电长直通电螺线管轴线上磁感觉强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的敏捷度，熟习霍尔传感器的特征和应用；用该霍尔传感器丈量通电螺线管内的磁感觉强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系，作磁感觉强度与地点刻线的关系图，学会用霍尔元件丈量磁感觉强度的方法.实验原理1．霍尔效应霍尔元件的作用如图1所示.若电流I流过厚度为d的半导体薄片，且磁场B垂直作用于该半导体,则电子流方向因为洛伦茨力作用而发生改变，该现象称为霍尔效应，在薄片两个横向面a、b之间与电流I，磁场B垂直方向产生的电势差称为霍尔电势差.霍尔电势差是这样产生的：当电流IH经过霍尔元件（假定为P型）时，空穴有必定的漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛仑兹力FBq(vB)（1）式中q为电子电荷，洛仑兹力使电荷产生横向的偏转，因为样品有界限，所以偏转的载流子将在界限累积起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作使劲F＝qE与磁场作E用的洛仑兹力相抵消为止，即q(vB)qE（2）这时电荷在样品中流动时不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场成立起来的。假如是N型样品，则横向电场与前者相反，所以N型样品和P型样品的霍尔电势差有不一样的符号，据此能够判断霍尔元件的导电种类。设P型样品的载流子浓度为Р，宽度为ω，厚度为d，经过样品电流则空穴的速度v=IH/Рqωd代入（2）式有EvBIHB（3）pqd上式两边各乘以ω，便获得UHIHBRHIHBEd（4）pqd1此中RH称为霍尔系数，在应用中一般写成pqUHKHIHB（5）比率系数KHRHd1pqd称为霍尔元件的敏捷度，单位为mV/(mA·T)。一般要求KH愈大愈好。KH与载流子浓度Р成反比，半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体资料作为霍尔元件，KH与资料片厚d成反比，所以霍尔元件都做得很薄，一般只有0.2mm厚。由式（5）能够看出，知道了霍尔片的敏捷度123K，只需分别测出霍尔电流IH及霍尔电H势差UH就能够算出磁场B的大小，这就是霍尔效应丈量磁场的原理。D11HI2VH14VH22HI3C图1图2所以，依据霍尔电流I和磁场B的方向，实验测出霍尔电压的正负，由此确立霍尔系数的正负,即判断载流子的正负，是研究半导体资料的重要方法。关于n型半导体的霍尔元件，则导电载流子为电子，霍尔系数和敏捷度为负；反之，关于是p型半导体的霍尔元件,则导电载流子为空穴，霍尔系数和敏捷度为正。2．霍尔元件的副效应及除去副效应的方法一般霍尔元件有四根引线，两根为输入霍尔元件电流的“电流输入端”，接在可调的B电源回路内；另两根为霍尔元件的“霍尔电压输出端”，接到数字电压表上。固然从理论上霍尔元件在无磁场作用时(B=0时)，UH=0，可是实质状况用数字电压表测其实不为零，该电势差称为节余电压。这是半导体资料电极不对称、结晶不均匀及热磁效应等惹起的电势差。详细以下：1．不等势电压降U0霍尔元件在不加磁场的状况下通以电流，理论上霍尔片的两电压引线间应不存在电势差。实质上因为霍尔片自己不均匀，性能上稍有差别，加上霍尔片两电压引线不在同一等位面上，所以即便不加磁场，只需霍尔片上通以电流，则两电压引线间就有A一个电势差U。U的方向与电流的方向相关，与磁场的方向没关。U的大小和霍尔电000势UH同数目级或更大。在全部附带电势中居首位。2．爱廷豪森效应(Etinghausen)123当放在磁场B中的霍尔片通以电流I此后，因为载流子迁徙速度的不一样，载流子所的洛仑兹力也不相等。作圆轨道运动的轨道半径也不相等。速率较大的将沿较大的圆轨道运动，而速率小的载流子将沿较小的轨道运动。进而致使霍尔片一面出现快载流子多，温度高；另一面慢载流子多，温度低。两头面之间因为温度差，于是出现温差电势U。U的大小与IB乘积成正比，方向随I、B换向而改变。EE3．能斯托效应(Nernst)因为霍尔元件的电流引出线焊点的接触电阻不一样，通以电流I此后，因帕尔贴效应，一端吸热，温度高升；另一端放热，温度降低。于是出现温度差，样品四周温度不均匀也不会惹起温差，进而惹起热扩散电流。当加入磁场后会出现电势梯度，进而惹起附带电势UN，UN的方向与磁场的方向相关，与电流的方向没关。4．里纪－勒杜克效应(Righi-Leduc)上述热扩散电流的载流子迁徙速率不尽相同，在霍尔元件放入磁场后，电压引线间相同会出现温度梯度，进而惹起附带电势URL。URL的方向与磁场的方向相关，与电流方向没关。在霍尔元件实质应用中，一般用零磁场时采纳电压赔偿法除去霍尔元件的节余电压，如图2所示。在实验丈量时,为了除去副效应的影响，分别改变IH的方向和B的方向，记下四组电势差数据（K1、K2换向开关向上为正）H1H0ENRL当I正向、B正向时：U=U+U+U+U+U当IH负向、B正向时：U2=-UH-U0-UE+UN+URL当IH负向、B负向时：U3=UH-U0+UE-UN-URL当IH正向、B负向时：U4=-UH+U0-UE-UN-URL作运算U1-U2+U3-U4，并取均匀值，得1U3U4)UHUE(U1U24因为UE和UH一直方向相同，所以换向法不可以除去它，但UE＜＜UH，故能够忽视不计，于是UH1U4)（6）(U1U2U34温度差的成立需要较长时间，所以，假如采纳沟通电使它来不及成立就能够减小丈量偏差。3．长直通电螺线管中心点磁感觉强度理论值依据电磁学毕奥－萨伐尔(Biot-Savart)定律，长直通电螺线管轴线上中心点的磁感觉强度为NIM（7）B中心DL22螺线管轴线上两头面上的磁感觉强度为B端1B中心1NIM（8）22L2D2－7式中，μ为磁介质的磁导率，真空中μ0＝4π×10T*m/A，N为螺线管的总匝数，IM为螺线管的励磁电流，L为螺线管的长度，D为螺线管的均匀直径。实验仪器GHL－1

通电螺线管实验装置，双刀双掷换向开关，

VAA电压丈量双路恒流电源实验内容1.实验装置霍尔电流输入经过双刀换向开关K2与装置霍尔电压输出与VAA电源霍尔电压输入相接。

K1，VAAVAA电源霍尔控制恒流输出相接；实验2.搁置丈量探头于螺线管轴线中央，即15cm刻度处，调理霍尔控制恒流输出为5.00mA，挨次调理励磁电流为0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000mA,测量霍尔输出电压，证明霍尔电势差与螺线管内磁感觉强度成正比。3.搁置丈量探头于螺线管轴线中央，即15cm刻度处，调理励磁电流1000mA，调理霍尔控制恒流输出为0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00mA，丈量霍尔输出电压，证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。4.调理励磁电流500mA，调理霍尔电流为5.00mA，丈量螺线管轴线上X为0.0、1.0、2.030.0cm的霍尔电势差，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的刻度地点。依给出的霍尔敏捷度作磁场散布B－X图。5.用螺线管中心点磁感觉强度理论计算值，校准或测定霍尔传感器的敏捷度.注意事项注意实验中霍尔元件不等位效应的观察，想法除去其对丈量结果的影响。励磁线圈不宜长时间通电，不然线圈发热，影响丈量结果。霍尔元件有必定的温度系数，为了减少其自己发热对丈量影响，不宜超出其额定工作电流5mA.思虑题1.用简图表示，用霍尔效应法判断霍尔片是n型、p型的半导体资料？2.在利用霍尔效应丈量磁场过程中，为何要保持IH的大小不变？假如螺线管在绕制中，单位长度的匝数不相同或绕制不均匀，在实验中会出现什么状况？在绘制B-X散布图时，电磁学上的端面地点能否与螺线管几何端面重合？霍尔效应在科研中有何应用，试举例说明？霍尔效应测螺线管磁场实验报告一．目的1．认识霍尔效应现象，掌握其丈量磁场的原理。2．学会用霍尔效应丈量长直通电螺线管轴向磁场散布的方法。二．原理霍尔元件的作用如图1所示.若电流I流过厚度为d的半导体薄片,且磁场B垂直作用于该半导体,则电子流方向因为洛伦茨力作用而发生改变,在薄片两个横向a,b之间就产生电势差,这类现象称为霍尔效应.在与电流I,磁场B垂直方向产生的电势差称为霍尔电势差,往常用UH表示霍尔电势差.UH的表示式为:UHKHIHB(1)式中,KH称为霍尔元件敏捷度,RH是由半导体自己电子迁徙率决定的物理常数,称为霍尔系数.B为磁感觉强度,I为电流强度.固然从理论上霍尔元件在无磁场作用时(B=0),UH=0,可是实质状况用数字电压表测其实不为零,这是因为半导体资料结晶不均匀,副效应及各电极不对称等惹起的电势差,该电势差U0称为节余电压。在霍尔元件实质应用中123,一般是用零磁场时采纳电压赔偿法除去节余电压U0,如图2所示.D11HI24VH1VH22HI3图1三．实验器械GHL－1通电螺线管实验装置双刀双掷换向开关VAA电压丈量双路恒流电源连结导线

C图2台把台若干BA123四．实验方法和实验步骤1.实验接线图如图3所示.图31.搁置丈量探头于螺线管轴线中央，即15cm刻度处，调理霍尔控制恒流输出为5.00mA，挨次调理励磁电流为0、200、400、600、800、1000mA,丈量霍尔输出电压，证明霍尔电势差U与螺线管励磁电流IM成正比，即螺线管内磁感觉强度成正H比。2.搁置丈量探头于螺线管轴线中央，即15cm刻度处，调理励磁电流1000mA，调理霍尔控制恒流输出为0、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mA，丈量霍尔输出电压，证明霍尔电势差U与霍尔电流I成正比。HH3.调理励磁电流500mA，调理霍尔电流为5.00mA，丈量螺线管轴线上X为0.0、1.0、2.0┅┅30.0cm的霍尔电势差，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的刻度位置。依给出的霍尔敏捷度作磁场散布B－X图。.用螺线管中心点磁感觉强度理论计算值，校准或测定霍尔传感器的敏捷度五．实验数据1．励磁电流与霍尔电势差的关系。霍尔工作电流IH=5.00mA，霍尔传感器位于螺线管中央，即15cm处。表1IH/mAVH1/mVVH2/mVH3/mVVH4/m均匀VVVH/mV010020030040050060070080090010002．丈量霍尔电势差与霍尔工作电流的关系。螺线管通电励磁电流IM=500mA，霍尔传感器位于螺线管中央，即15cm处。表2IH/mAVH1/mVVH2/mVVH3/mVVH4/mV均匀VH/mV0.501.001.502.