第二篇：应用霍尔效应测量磁场

应用霍尔效应测量磁场

吕松洋（四川大学 华西药学院 2011级）

摘要：

本文通过叙述霍尔效应以及霍尔效应测螺线管磁场的实验，简单介绍了霍尔效应的基本原理和霍尔效应在测量磁场方面的应用以及电磁测量实验的基本思想。

关键词：

霍尔效应 磁场 电磁测量 物理实验

Abstract:

this paper describes the hall effect and the experiment of hall effect measuring the solenoid magnetic field , and gives the hall effect a brief introduction about basic principles and how to use hall effect in the measurement of magnetic fields , as well as the basic idea of the electromagnetic .

Key words :

hall effect magnetic electromagnetic measurements physics experiment

一、实验目的：

1.了解霍尔效应的基本原理

2.掌握应用霍尔效应测量磁场的方法

二、实验原理：

霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A’上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FB的作用，

FB = q u B (1)

无论载流子是负电荷还是正电荷，FB的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B’两侧产生一个电位差VBB’,形成一个电场E。电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力FE，

FE＝q E = q VBB’ / b (2)

其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FE＝FB，即

q uB = q VBB’ / b (3)

这时在B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B’称为霍尔电极。

另一方面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为：

I?bdnqu (4)

由(3)和(4)可得到

VBB??1IB nqd (5) 令R?1，则 nq

VBB??RIB d (6)

R称为霍尔系数，它体现了材料的霍尔效应大小。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。

在应用中，(6)常以如下形式出现：

VBB??KHIB (7) 式中KH?R1称为霍尔元件灵敏度，I称为控制电流。 ?dnqd

由式(7)可见，若I、KH已知，只要测出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B的大小；并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子，P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。

由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。指示交流电时，得到的霍尔电压也是交变的，(7)中的I和VBB’应理解为有效值。

三、实验内容：

1 连接线路，测试仪面板上的“Is输出”、“IM输出”、“VH、Vσ输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应接线柱正确连接，如下图所示

2 测试仪由励磁恒流源IM，样品工作恒流源IS，数字电流表，数字毫伏表等组成 仪器面板如下图：

?

将测试仪上IM输出，IS输出和VH输入三对接线柱分别与实验台上对应接线柱连接，将Is、IM调节旋钮逆B0??0nIM时针转到底，使输出电流处于最小状态。打开电源，给测试仪预热10多分钟。

3 “测量选择”置于Is，调节“Is调节”使Is = 8.00mA。然后把“测量选择”置于IM，调节“IM调节”旋钮使IM = 0.800A。注意：在此后的实验过程中，“Is调节” 和“IM调节”旋钮不能再动。

4 调节二维调节架的调节旋钮x1、x2，霍尔元件离轴线中心点距离x?x1-x2，测出该位置对应的U1、 U2、 U3、 U4，并计算出相应UH和B的值。

5 实验完毕，将Is、IM调节旋钮逆时针转到底，然后切断电源。

四、数据处理：

取Is = 8.00mA，IM = 0.800A保持不变，测螺线管轴线上各点的磁感应强度。 1 根据下表数据绘制B-x曲线，验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置的1/2 n?110.0?102/m，KH?2.79mV/mA.KGs

按实验数据绘制B-x曲线如下图2

图2 B-x曲线

结束语：

本文介绍了霍尔效应的原理，以及应用霍尔效应测量磁场的方法。通过实际操作与资料查阅，锻炼了自身的实践能力。

参考文献：

[1]梁丽萍，张莹，张建忠 霍尔效应法测量磁场实验的研究[J] 实验室科学

[2]钱峰，潘人培 大学物理实验（修订版）[M] 高等教育出版社20xx年20xx年4期