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
实验名称: 霍尔效应测量磁场 实验时间:
实验者: 院系:创新生科113学号:2011013901
指导教师签字:
实验目的:
1.了解霍尔元件的基本原理,观察霍尔效应现象;
2.学习利用霍尔元件测量磁场的基本方法。
实验仪器设备:
霍尔效应测试仪、导线、电磁铁
实验原理:
1.霍尔效应的原理
霍尔元件是均匀的N型半导体材料制成的矩形薄片,长为l,宽为b,厚为d。当在左右两端加上电压,同时有一个磁场B垂直穿过元件的宽面时,在上下两端产生电位差(霍尔电压),这种现象为霍尔效应。
霍尔片内定向运动的载流子所受洛仑兹力FL和静电作用力FE相等时,上下两面将建立起一稳定的电位差,即霍耳电压,
由FE=qE=qUH/b(1) FL=qvB(2) FE=FL (3)
I=nqvbd (4) 且 为霍尔元件灵敏度(5)
联立,得 B=UH/KHI
2. 换测法消除附加电压
根据附加电压随磁场B和电流I换向而各自呈现的特点加以消除。
(+,+B,+U0) ;(-,+B,-U0)
(-,-B,+U0) ;(+,-B,-U0)
测量表达式:
操作步骤:
1.判断半导体载流子的符号
(1)调节水平和垂直移动尺,使霍尔元件位于磁铁气隙中心,连好电路,打开测试仪开关;
(2)闭合S2,调励磁电流800mA左右,确定电磁铁的磁场方向;
(3)闭合S2,调工作电流8mA左右,确定通过霍尔元件的电流方向;
(4)从测试仪测的霍尔电压的极性判断霍尔片上下的极性,判断载流子的极性,图示方法
2.测量电磁铁的磁感应强度
(1)测量电磁铁气隙内一点的磁感应强度
励磁电流800mA,工作电流8mA,某一位置,按顺序B、I换向,测Ux,然后求UH
(2)测量磁感应强度在电磁铁气隙内的分布情况
保持(1),移动标尺,测不同位置的UH,便可了解B的分布情况
3.测量磁化曲线
移动标尺至螺线管中心处,保持工作电流8mA,闭合S2,调励磁电流从0每隔100mA到1000mA,测UH,计算磁场B,绘制B-Im图形
实验数据记录:
1.磁铁气隙内的磁感应强度数据
2.绘制B-X关系曲线
3.测量磁化曲线 B-Im
结果分析与讨论:
实验名称利用霍耳效应测磁场实验目的a了解产生霍耳效应的物理过程b学习用霍尔器件测量长直螺线管的轴向磁场分布c学习用对称测量法消除负…
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