霍尔效应测磁场实验报告(完整资料)

【最新整理，下载后即可编辑】实验报告学生姓名：学号：指导教师实验地点：实验时间：一、实验室名称：霍尔效应实验室二、实验项目名称：霍尔效应法测磁场三、实验学时：四、实验原理：（一）霍耳效应现象将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B的磁场中，并让薄片平面与磁场方向（如Y方向）垂直。如在薄片的横向（X方向）加一电流强度为I的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z方向将产生一电动势U。如图1所示，这种现象称为霍耳效应，U称为霍耳电压。H霍耳发现，霍耳电压u与电流强度I和磁感应强度B成正比，与磁场方向薄片的厚愛d反比，即HU二R空HU二R空Hd式中，比例系数R称为霍耳系数，对同一材料R为一常数。因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d也是一常数，故R/d常用另一常数IK来表示，有U二KIB （2）式中，K称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳电压的大小。如果霍

耳元件的灵敏度IK知道（一般由实验室给出），再测出电流I和H霍耳电压U，就可根据式3）算出磁感应强度B耳效应示意图图2霍耳效应解释（二）霍耳效应的解释现研究一个长度为1、宽度为b、厚度为d的N型半导体制成的霍耳元件。当沿X方向通以电流i后，载流子（对N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流方向相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为f二evB方向沿Z方向。在f的作用下，电荷将在元件沿Z方向的两端B面堆积形成电场E（见图2），它会对载流子产生一静电力f，HE其大小为 H E4）方向与洛仑兹力f相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当f和f达到静态平衡后，有f=f，即evB=eE=eU/b，于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为日4）U=vbB

通过的电流I可表示为HI=—nevbd式中n是电子浓度，得H5）V二———V二———H—nebd将式（5）代人式（4）可得IB二一一nedU二R^hb二KIB

H d H该式与式（1）和式（2）一致，R二—丄就是霍耳系数ne五、实验目的：研究通电螺线管内部磁场强度六、实验内容：（一） 测量通电螺线管轴线上的磁场强度的分布情况，并与理论值相比较；（二） 研究通电螺线管内部磁场强度与励磁电流的关系。七、实验器材：霍耳效应测磁场装置，含集成霍耳器件、螺线管、稳压电源数字毫伏表、直流毫安表等。八、实验步骤及操作：（一）研究通电螺线管轴线上的磁场分布。要求工作电流I和励磁电流I都固定，并让\=500mA,逐点（约12-15个点）测试霍耳电压u，记下I和K的值，同时记录长直螺线管的长度和匝数等参数。1•接线：霍尔传感器的1、3脚为工作电流输入，分别接“IH输出”的正、负端；2、4脚为霍尔电压输出，分别接“V输入”H的正、负端。螺线管左右接线柱（即“红”、“黑”）分别接励磁

电流I的“正”、“负”，这时磁场方向为左边N右边S。M2、 测量时应将“输入选择”开关置于“V”挡，将“电压H表量程”选择按键开关置于“200”mV挡，霍尔工作电流I调H到5.00mA，霍尔传感器的灵敏度为：245mV/mA/T。3、 螺线管励磁电流I调到“0A”，记下毫伏表的读数V（此时励磁电流为0，霍尔工作电流I仍保持不变）。 04、 再调输出电压调节钮使励磁电流为/=500mA。5、 将霍耳元件在螺管线轴线方向左右调节，读出霍耳元件在不同的位置时对应的毫伏表读数V，对应的霍耳电压V=V-V。霍尔传感器标尺杆坐标x=0.0mm对准读数环时，表示霍尔传感器正好位于螺线管最左端，测量时在0.0mm左右应对称地多测几个数据，推荐的测量点为x=-30.0、-20.0、-12.0、-7.0、-3.0、0.0、3.0、7.0、12.0、20.0、40.0、75.0mm。（开始电压变化快的时候位置取密一点，电压变化慢的时候位置取疏一点）。6、 为消除副效应，改变霍耳元件的工作电流方向和磁场方向测量对应的霍耳电压。计算霍尔电压时，V、V、V、V方向1234的判断：按步骤（4）的方向连线时，I、I换向开关置于“o”（即“+”）时对应于丫（+B、+【丿，其余状态依次类推。霍尔电压的计算公式是V二（V-V+V-V4）^4。7、实验应以螺线管中心处（x3~75mm）的霍尔电压测量值与理论值进行比较。测量B~I关系时也应在螺线管中心处测量霍M尔电压。B二比n/B二比n/（cos卩厂cos卩）（参见教材实验0p.152公式3-16-6）计算,即B="0N【\_X丄_L-x1，计算各测量点的理论值，并绘理出BI~X2曲D/与Bf-沁曲线丿误差分析时分析两曲线不能

吻合的原因。如只计算螺线管中点和端面走向上的磁场强度，公式分别简化为b-上。N【、B-^oNI ，分析这两点B、与实测不能吻合的理原因。D2理2弋匕+D2/4 理论9、在坐标纸上绘制B〜X曲线，分析螺线管内磁场的分布规二）研究励磁特性。固定i和霍耳元件在轴线上的位置（如在螺线管中心），改H

变I，测量相应的U。M将霍耳元件调至螺线管中心处（x~75mm）,调稳压电源输出电压调节钮使励磁电流在0mA至600mA之间变化，每隔100mA测一次霍耳电压（注意副效应的消除）。绘制I〜B曲线,分析励磁电流与磁感应强度的关系。九、实验数据及结果分析：1、计算螺线管轴线上磁场强度的理论值B理实验仪器编号：6 ，线圈匝数：N=1535匝,线圈长度:L=150.2mm,线圈平均直径：D=18.9mm，励磁电流：1=0.500A，霍尔灵敏度K二245mV/—x二L/2=75.1mm时得到螺线管中心轴线上的磁场强度:4X3.142X10乂1535X0.5°0=$37何)；「0.15022+0.01892卩NI0=x=0或x=卩NI0=4x3.142x10-41535x0.500B= 0 = =3.20(mT)2\：L+D2/4 2^0.15022+0.01892/4同理，可以计算出轴线上其它各测量点的磁场强度。2、螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差B、I宀方向、mm）30.020.01(?.7.0「30.0°.03.072.010#40.(y5.07十B、+IH0.30.10.00.41.12.13.34.55.76.57.07.37.4十B、-IH-0.40.80.91.42.03.14.25.46.67.37.88.08.1B、--IH-0.40.20.30.61.32.33.44.65.86.56.97.27.3

B、-+IH0.30.40.51.01.72.73.95.16.37.17.67.88.0V(mV一一0013456677)0.40.3.1.8.8.0.2.4.2.7.0.1V(mV)0.40.51.01.62.73.85.06.26.97.47.67.7V(mV0.0.1123566777)67.0.7.7.8.0.2.9.3.6.7V(mV)0.70.81.32.03.04.25.46.67.47.98.18.3V(m0.0.0123466777vh3343.85.53.55.70.90.10.85.33.58.700.0.0123445566B(mT)2735.69.24.08.02.00.98.59.98.18.29B0.0.0123455666理(mT)1430.68.29.23.20.18.11.73.11.32.37B-B0.0.0(mT)理1204.010.050.150.180.180.140.130.130.140.0981误相对4.34.613.86.85.74.22.62.32.12.21.3误^差.6%%%%%%%%%%%%3、不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度TOC\o"1-5"\h\z零差（I=0.000A时）:V= 0.3mV ,V= -0.4mV ,V=M 01 02 03-0.4mV ,V= 0.3mV040°°00.10卜00300.4V(mV)10.31.42.84.35.77.48.50.01.12.54.05.47.18.2V(mV)2-0.4-1.5-3.1-4.6-6.2-8.1-9.20.0-1.-2.-4.-5.-7.7-8.8

1728-0.1.53.14.66.27.39.2V(mV)340.01.93.55.06.67.79.6-1.-3.-5.-6.-10.0.37306-8.00V(mV)40.0-2.-3.-5.-6.-8.3-10.06393V(mV0.01.53.04.66.17.709.24H04826B(mT)0.01.22.53.75.0061736.297.544、螺线管轴线上的磁场强度分布图（注：理论曲线不是必作内容）5、螺线管中点磁场强度随励磁电流的变化关系图6、误差分析：(只列出部分，其余略)B~x曲线与B~x曲线，不能吻合的原因主要是：理论测量螺线管中部不吻合是由于霍尔灵敏度K存在系统误差，可以通过与实验数据比较进行修正。霍尔灵敏度K修正后，螺线管两端处的磁场强度的测量值一般偏低，原因是霍尔传感器标尺杆越往外拉，就越倾斜，由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器，检测到的霍尔电压就会下降。x=-30.0mm处磁场强度的测量值一般偏高，因为这里可能螺线管产生的磁场已经很弱，主要是地磁和其它干扰磁场引起检测到的霍尔电压增大。十、实验结论：1、 在一个有限长通电螺线管内，当L>>R时，轴线上磁场在螺线管中部很大范围内近于均匀，在端面附近变化显著。2、 通电螺线管中心轴线上磁场强度与励磁电流成正比。十一、总结及心得体会：1、霍耳元件质脆、引线易断，实验时要注意不要碰触或振动霍耳元件。2、霍耳元件的工作电流I有一额定值，超过额定值后会因发热而烧毁，实验时要注意实验室给出的额定值，一定不要超过。