霍儿效应测磁场

霍儿效应测磁场第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期六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分第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期六一、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、磁场分布的描绘第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期六二、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（Halleffect）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。第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期六三、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第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期六1、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.电源第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期六设导体（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-1T-1）第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期六如果半导体是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。VH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。。KH越大，VH越容易测量。总之第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期六2、B的测量对于Hall元件，只要分别测出工作电流I和Hall电压VH，由元件的KH即可测出B第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期六3、VH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VH，还包括其他因素的附加电压：第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期六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VH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VH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UE可略去，即第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期六四、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第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期六1、配套测试仪型号Is输出VH输入即测量值UiIM输出请注意看仪器面板上的说明第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期六2、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元件的位置第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期六五、操作步骤分为两大项内容霍尔元件输出特性测量，VH-Is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。第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期六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IS，VH，和IM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。第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期六A.2~3A.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VH-IS曲线：根据不同型号的仪器所对应的电流范围，表1。取IM=

A，依次调节IS等于表2中IS的对应值。按原理中3所述换向法测出对应的U1,U2,U3,U4，记入后面表2。仪器型号Is范围（mA）Im范围（A）TH-H2~40.2~0.8HJL2~100.2~0.8表1不同仪器的工作电流范围第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期六A.附如果时间允许，请按照类似的方法继续测量VH-IM曲线取IS=

mA，IM依次取0.2，0.3，0.4，……，0.8A，按照类似A、3的方法测绘VH-IM曲线；第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期六B、测绘磁场的磁感应强度分布曲线B.1

取IS=

mA，IM=

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x0，调节X1，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U1，U2，U3，U4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。第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期六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。第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期六六、数据记录与处理霍尔元件输出特性IM=

A，取KH=500mV/（mA·T）根据表2，计算VH，并作VH-IS曲线；理论上VH-IS曲线是一条直线，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)………………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

VH-Is数据记录表第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期六磁感应强度分布取IS=

mA；Im=

A。计算出表中的UH，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)x0x1x2……U1(mV)……U2(mV)……U3(mV)……U4(mV)……UH(mV)…………表3磁感应强度分布数据记录表第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期六七、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。第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期六八、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？