^航海学院

物理创新设计实验报告

实验名称：利用霍尔效应法测量空间的磁场分布

指导教师：     

专   业：   轮机管理

班   级：       （2）班     

实 验 者：黄玉麟

学   号：  631218050203                

实验日期：     20##年10月14日   

利用霍尔效应法测量空间的磁场分布

【摘要】通过霍尔效应法测量霍尔电流和励磁电流的方法，并使用“对称测量法”消除副效应的影响，最终通过多组数据的处理，得出空间磁场分布。

【关键词】霍尔效应；霍尔电流；对称测量法；磁场分布

一、引言

空间磁场实际存在，但是人眼看不到，因此用直接的方法测量是行不通的。本实验正是考虑了这点，通过测量霍尔电流和励磁电流的方式，通过霍尔电流、励磁电流和磁场强度的关系，间接的测出磁场强度。并结合多组数据的处理，最大程度减小误差，使实验更加科学、严谨，从而使得实验方法具有可实施性和借鉴性。

二、设计原理

2．1简介

置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这一现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

2.2霍尔效应

霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这个电势差就被叫做霍尔电势差。

导体中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。

因此，对于一个已知霍尔系数的导体，通过一个已知方向、大小的电流，同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，就可以得出该导体所处磁场的方向和大小。

2.3实验原理

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。如图2-1所示的半导体式样，若在方向通以电流，在方向加磁场，则在方向即试样2-4电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图2-1所示的N型试样，霍尔电场为方向。显然，霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛伦兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故：

                                                                                                                                       

                                                                                                          （2.3.1）

其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

霍尔效应是运动的载流子在磁场中受到洛伦兹力发生偏转而产生的，利用霍尔效应原理。作出来的电子元件统称为霍尔元件，本实验所用的的霍尔元件是一个长方形的均匀半导体薄片，称为霍尔片。

如图所示，其宽为b ，厚度为d 。如果把元件置于垂直于元件平面的磁场B 中，当通入电流I （与B 方向垂直）时，载流子（ N 型半导体为带负电荷的电子， P 型半导体为带正电荷的空穴）在磁场中受洛伦兹力的作用而偏转，从而在侧面形成电势差（霍尔电压）。设载流子平均速率为每个载流子的电荷量为，当载流子所受洛伦兹力与霍尔元件表面电荷产生的电场力相等时。则达到稳定：

                                                              (2.3.2)

若自由电子的浓度为n ，则霍尔片的工作电流I 可表示为

                                                 (2.3.3)

所以：

                                                (2.3.4)

即：

                                （2.3.5）

其中为霍尔电压，为外磁场，为霍尔片厚度；为霍尔系数；只要证明霍尔电压与磁场强度成正比，便可以通过测得电压的分布来分析磁场分布。

设定电流I_H和磁场B的正方向，分别测量由I_H和B组成的四个不同方向的组合（即“+I_H，+B”、“+I_H，-B”、“-I_H，+B”、“-IH，-B”），为了提高实验精度，实验时应注意副效应的影响，根据副效应的特点作电流和电压的换向处理，并对测得的四组数据（“+B-I”）、（“-B-I”）、（“+B+I”）、（“-B+I”）的作代数平均值，可得：

                                                 （2.3.6）

由于符号与、两者方向关系和是相同的，故无法消除，但是电流和电场较小时，，因此可略去不计，所以霍尔电压为： 

                                                     （2.3.7）

2.4实验仪器

KL—10霍尔效应实验组合仪

测试仪包括两路直流稳定电源。±1000 mA 供给电磁铁的励磁电流和±10.0mA 供给霍尔元件的工作电流。全套HL—10 型霍尔效应实验组合仪由：实验装置部分和测试部分组成。

图2-2 霍尔效应实验组合仪1

图2-3 霍尔效应实验组合仪2

三、方案设计

1、将霍尔效应组合实验仪上的励磁电流调节螺钮和工作电流调节螺钮旋到底。

2、将励磁电流输出端接入双掷开关下边的两接线柱上。将霍尔电压输入与的下边的两接线柱相连，将工作电流输出与左边的两接线柱相连。

3、将置于空挡，合上、，将工作电流调至10mA，测定的值，（若为负值，改变使为正值），此时的霍尔电压为剩磁所对应的霍尔电压。

4、开机前，测试仪电源的“电流调节”和“电流调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）。

5、按图13-6连接测试仪与实验仪之间的各组导线，将三个换向开关掷向任一侧（例如都掷向上方），并把这一方向定为、和的正向。

注意：

1） 样品各电极引线与对应的双刀开关之间的连线已由厂家连接好，请勿再动！

2） 严禁将测电仪电源的“励磁电流”输出误接到实验仪的“霍尔电流”输入或“霍尔电压”输出处，否则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏!

3） 霍尔片性脆易碎，电极审细易断，严防撞击或用手去摸，否则即遭损坏!

4） 霍尔片放置在电磁铁空隙中间，在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面摩擦而受损！

6、接通电源，预热数分钟。置“测量选择”于档（放键），电流表所示的值即随“电流调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为0～10。此时电压表所示读数为“不等势”电压值，它随增大而增大，换向，极性改号，说明输出和输入工作正常。

7、  置“测量电流选择”于档（按键），电流表所示的值即随“电流调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为0～1。此时电压表随增大而增大，换向，极性改号，说明输出和输入工作正常。

8、  最后将试验仪的各换向开关恢复到原来一侧；测定仪电源的“电流调节”和“电流调节”旋钮均恢复到零位。

9、测单边X方向磁场分布

将霍尔片置于电磁铁（上下）方向中心，和都固定不变，测量方向磁场分布曲线。由于磁场分布的对称性，测量不小于二分之一范围即可。

四、数据处理

4.1实验条件

室温=9.0℃

N型霍尔片的厚度d=0.10mm

线圈匝数N=1350匝

S_H=3.5mV／mA·KG

4.2数据记录表

表1 单边X的方向磁场分布数据记录表

I_M= 0.800 A      I_H= 1.05 m A

4.3数据处理

根据原理，每组电压的平均值为：

      

把数据分别代入公式得：

=

                      =6.39

=

                      =7.33mV

=

                        =7.40mV

又有公式（2.5）得：

                              =0.17T

同理，可得：的值。

用EXCEL中的工具得到的关系，如图（4.31）：

图 4.31

五、误差分析

①定性分析

测量过程中，ＩＨ和ＩＭ电流调节过程中不能调零，导致存在一定的仪器误差；

装置的预热时间和平衡也会影响实验结果；

读数的不稳定性，导致误差产生；

由于所有的仪器标准可能不同，故所给的标准值对个人的仪器有一定的误差；

②定量分析

霍尔片不在磁场中央而导致测量磁场和磁场强度时有仪器；

视觉上的仪器误差；

六、总结

用霍尔效应法测量磁场分布相对于其它方式更加较为科学和简单，对于实验数据采用“对称测量法”更是减少误差，进而保证了实验科学性、严谨性。

本实验只是通过单片X方向的测量而得到磁场分布，对于单片Y方向上的数据并没有测量，因此必然存在误差。

参考文献：

[1] 竺江峰,芦立娟,鲁晓东.大学物理实验[M].中国科学技术出版社.2005.9:212—219

[2] 成正维.大学物理实验.北京：高等教育出版社，2002

[3] 崔玉亭、董红.霍尔效应法测磁场的误差来源及消除分析，商丘师专物理系．河南商丘，1996年9月.

 

第二篇：大学物理创新实验报告

                    大学物理实验报告总结

一：物理实验对于物理的意义

     物理学是研究物质的基本结构，基本的运动形式，相互作用及其转化规律的一门科学。它的基本理论渗透在基本自然科学的各个领域，应用于生产部门的诸多领域，是自然科学与工程科学的基础。物理学在本质上是一门实验学科，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以物理实验为基础，物理学中的每一项突破都与实验密切相关。物理概念的确立，物理规律的发现，物理理论的确立都有赖于物理实验。

二：物理实验对于学生的意义

大学物理实验已经进行了两个学期，在这两个学期，通过二十几个物理实验，我们对物理学的理解和认识又更上了一步台阶。通过对物理实验的熟悉，可以帮助我们掌握基本的物理实验思路和实验器材的操作，进一步稳固了对相关的定理的理解，锻炼理性思维的能力。在提高我们学习物理物理兴趣的同时，培养我们的科学思维和创新意识，掌握实验研究的基本方法，提高基本科学实验能力。它也是我们进入大学接触的第一门实践性教学环节，是我们进行系统的科学实验方法和技能训练的重要必修课。它还能培养我们“实事求是的科学态度、良好的实验习惯、严谨踏实的工作作风、主动研究的创新与探索精神、爱护公物的优良品德”。

 三：我眼中的物理实验的缺陷

  1：实验目的与性质的单一性

21世纪的学科体系中，多种学科是相互结合，相互影响的，没有一门学科能独立于其他学科而单独生存，但是在我们的实验过程中，全都是关于物理，这一单科的实验内容，很少牵涉到其他。有些实验完全是为了实验而实验，根本不追求与其他学科的联系与结合。

2：实验的不及时性及实验信息的不对称性

    物理是一门以实验为基础的基本学科，在我们所学的物理内容中，更多的是关于公式定理的，这些需要及时的理解和记忆，最简单的方式是通过实验来进行。但是我们所做的实验，都是学过很久以后，甚至是已经学完物理学科后进行的，这就造成我们对物理知识理解的不及时性，不能达到既定的效果。而且，我们重复科学实验伟人的实验很大程度上是得知结论后凭借少量的实验数据轻易得出相似的结论，与前人广袤的数据量不可同日而语，这就造成实验信息的不对称性，不利于从本质上提高我们的实验能力。

  3：实验课老师的经常变换性及与物理任课老师的不统一性

根据我们的选课状况，我们不可能一直选到同一个老师的课程，这就导致授课学习状况的不连续性，不利于学生系统连贯地掌握实验。而且在我们的日常教学中，物理任课老师和实验任课老师采取的是两套不同的班子，这样各自在其所负责的领域，都有着丰富的经验和出色的能力，这是无可厚非的，丰富的经验和出色的能力都能更有助于在教学过程中帮助学生吸收理解所学的知识。但是两套班子就有两套教学方法，两者之间可能很少交流沟通，就导致在教学过程中，可能出现内容的重复，浪费了教学时间，也会出现强调的内容不一样

  

  4：实验过程的不自主性

大学实验在于开发学生的自主创新能力，让我们学会用实验的思维解决学习过程中所遇到的难点、重点。但是在我们的一系列实验中，总是老师对实验过程进行详细的解释、演示，实验过程中的所有疑难点、操作重点都已明确指出，我们所做的就是完成老师的演示，这使得实验过程变得枯燥，不具有自主学习性。

  5：其他

除掉以上一些，其他还有诸如实验室器材老化或严重不足，实验室不完全向学生开放，只能在实验时进入，这就限制了一些专业的学生如果在遇到问题后，想到实验室实验求证的可能性……但是这些都不是首要需求，对于我们热能与动力工程专业来说，所要求做的实验已经能满足我们对物理学科的认识。

四：我针对缺陷提出的解决办法

1：对于初始阶段的单一性，我们可以理解为对基础的掌握和巩固，但是随着知识学习的深入，我认为后期应该多加入与其他学科综合的实验。并根据具体所学的专业，加入不同的内容，不能概而统之。如我们是学习热能的，主要是传热方面的知识，那么，可以将物理中的热学实验重点研究，有利于我们以后往专业方向的发展。

2：所以在设置物理实验时间的时候，应该设置在就在相关知识学习前后。设置在前，在老师的引导下我们也能完成相关实验，但是对其所包含的知识的理解还不到位，那么，在接来来对该内容的物理课讲解中，我们就能结合相关的实验更形象的理解；设置在紧跟着学习知识之后，可以使我们对所学到的知识结合实验内容快速的理解记忆。另外，老师可以安排简单的自主实验，让我们根据实验数据自主得出实验结论。

3：我觉得在实验课程中可以采取导师制，一位导师只负责固定的一批学生。在与课程相关的物理实验中，结合及时性外，我们可以采用相同的老师任教，这样有助于对实验内容和课程内容的有机结合。并在课余时间开展物理实验的选修课，让我们完成安排之外的实验，此时结合实验任课老师丰富的经验，我觉得我们就能更好的掌握到物理学知识。

4：强调实验的自主性，首先老师们可以用几节课的时间对实验室的器材的操作重点进行详解，使我们学会怎样操作，在以后的实验中，可以进行简单的讲解，如有特别需要注意的地方，或者操作危险的地方进行提示，其他的由学生自主完成，老师进行答疑解惑。这样会使我们在摸索的过程中熟悉实验，能让我们在实验中自己养成详细规划，谨慎操作的好习惯。

三：个人小结

  详细回想我所做的实验，从一个参与的大学生角度，我觉得需要改善的就是以上这些。这样就真正以学生为主体，激发了学生的学习积极性和主动性，培养了学生对物理实验的兴趣，更好地锻炼了学生应用理论知识、掌握实验原理、正确选择与操作仪器、确定测量条件等方面的能力。同时，大学物理教学改革还能进一步给学生一个更加广阔的思考空间和选择余地，激发他们的想象力，增强其创新意识，培养其坚忍不拔的思想品质、实事求是的科学态度、相互帮助的协作精神，使其将来更好地服务于社会。我们已经没有了再做物理实验的机会，自己总结提出以上观点，只是希望能给以后做实验的学弟学妹们一个更好的实验氛围。大学的各种实验，在注重巩固基础知识的同时，另一重要的目的就是培养创新思维和操作能力，这些“新能力”也是21的核心竞争力，以完成实验指导书前言所说“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”的要求。