袁树青-霍尔效应课件

霍尔效应及磁场的测量理学院物理实验中心EdwinHall（1855～1938）

霍尔效应是霍尔(Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。背景介绍霍尔效应量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年,德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。背景介绍实验原理现象——霍尔效应在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。理论分析磁场中运动载流子受洛伦兹力作用电荷聚集形成电场电场力与洛伦兹力达到平衡，形成稳定电压UHmA-BmV又考虑到(n为载流子浓度)实验原理即：KH=1/(nqd)称为霍尔元件的灵敏度.IS为流过霍尔元件的电流，即其工作电流.——如果已知霍尔片的灵敏度KH，用仪器测出VH和IS即可求得磁感应强度的量值.埃廷斯豪森效应ＵE∝Ｉx·ＢzP型半导体+_温度低温度高Jx⊙ＢzN型半导体EyJx_+温度低温度高⊙ＢzEy

霍尔效应中的负效应ＵE方向与I和Ｂ方向有关。由于材料中载流子的速度不同，在磁场的作用下，载流子的偏转半径不同，从而在y轴方向产生温度梯度，由此温度梯度形成的温差电动势为埃廷斯豪森电压。里吉-勒迪克效应纵向热扩散电流，在磁场的作用下，从而在y轴方向产生横向温差，这一横向温差又引起横向电位差，为里吉-勒迪克电压。ＵRL∝Ｑx·ＢzＵRL的方向只与Ｂ的方向有关。

霍尔效应中的负效应不等位效应Ｕ0＝Ｉx·R0制备霍尔样品时,y方向的测量电极很难做到处于理想的等位面上，即使在未加磁场时，在Ａ、Ｂ两电极间也存在一个由于不等位电势引起的欧姆压降Ｕ0U0的方向只与Ix的方向有关。

霍尔效应中的负效应

霍尔效应中负效应的消除埃廷斯豪森效应ＵE方向与I和Ｂ方向有关。能斯特效应ＵN方向只与Ｂ方向有关。里吉-勒迪克效应ＵRL的方向只与Ｂ的方向有关不等位效应U0的方向只与I的方向有关。负效应的消除：改变I和B的方向，即对称测量法。+B,+I,测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0+B,-I,测得电压U2=-UH-UE+UN+URL-U0-B,-I,测得电压U3=UH+UE-UN-URL-U0-B,+I,测得电压U4=-UH-UE-UN-URL+U0UH=（U1-U2+U3-U4)/4-UE

忽略UE则UH=（|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/42.霍尔式转速传感器

右图是霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。

霍尔传感器的应用1-输入轴；2-转盘；3-小磁铁；4-霍尔传感器实验内容实验任务——利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度的分布.完成这一实验任务，必须做以下工作：仪器调节(将仪器调节到标准工作状态).仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系).测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.关键提示本实验关键点如下：1.接线2.调标准工作状态3.定标：固定位置、改变励磁电流4.测量：固定励磁电流、改变位置请按以上关键点阅读以下材料。实验装置——电源组和数字电压表实验装置——集成霍耳传感器探测棒、螺线管实验装置——双刀和单刀换向开关实验内容：仪器调节一.需连接以下电路:连接给螺线管提供励磁电流的电路.连接给霍尔元件提供工作电流(IS)的电路.连接输出霍尔电压的电路.连接外接补偿电压(2.500V)的电路.

详见下页图示.实验内容：仪器调节为螺线管提供励磁电流(流过螺线管的电流)，产生磁场.V+和V-

:给霍尔元件提供工作电流Vout和V-

:输出霍尔电压外接2.500V补偿电压注意：V+、V-不能接反，否则将损坏元件.调节外接2.500V补偿电压调节霍尔元件工作电流双刀换向开关K2用于改变励磁电流的方向.显示励磁电流大小调节励磁电流集成霍尔元件霍尔元件位置读数显示霍尔元件输出电压.量程切换实验内容：仪器调节霍尔元件置于螺线管中央，改变励磁电流IM(0-500mA)

，测量V’-IM

关系(测10组数据).IM为螺线管通电电流

绘制V’-IM关系曲线，计算斜率.实验内容1：霍尔电势差与磁感应强度B的关系方法：霍尔元件位置固定(置于螺线管的中央)，改变励磁电流.注意：两端的磁场变化快而中间变化慢，测量点在两边应比中间取得密一些用测得的轴线上各点的磁感应强度，绘制螺线管轴线上磁场的分布曲线.励磁电流为0时，霍尔电压总为0吗？IM=0时，由于地磁场的存在，VH不一定为0，怎样消除地磁场的影响？每个点IM正、反向各测一次，取二者绝对值的平均值作为该点的数据，即可消除地磁场的影响.实验内容2：螺线管轴线磁场分布的测量方法：保持励磁电流不变(250mA)，改变霍尔元件位置(0~30.0cm)，测量螺线管轴线上各点的霍尔电压。实验数据例——灵敏度的测定表1测量霍尔电压(已放大)与励磁电流IM的关系

(霍尔传感器处于螺线管中央位置，即X=17.0cm处)实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定(表2：螺线管内磁感应强度B与位置X的关系)表二：UH~x关系x（cm）11.522.533.54..........30U+（mV）U-（mV）UH（mV