實(shí)驗(yàn)五用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)

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1、實(shí)驗(yàn)五用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解霍耳效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理。2．掌握用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀。三、實(shí)驗(yàn)原理1、什么叫做霍耳效應(yīng)？42BdIH13+vFBFEb若將通有電流的導(dǎo)體置于磁場(chǎng)B之中，磁場(chǎng)B（沿z軸）垂直于電流IH（沿x軸）的方向，如圖1所示，則在導(dǎo)體中垂直于B和IH的方向上出現(xiàn)一個(gè)橫向電位差UH，這個(gè)現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。圖1霍耳效應(yīng)原理這一效應(yīng)對(duì)金屬來(lái)說(shuō)并不顯著，但對(duì)半導(dǎo)體非常顯著?；舳?yīng)可以測(cè)定載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)，以及判斷材料的導(dǎo)電類型，是研究半導(dǎo)體材料的重要手段。還可以用霍耳

2、效應(yīng)測(cè)量直流或交流電路中的電流強(qiáng)度和功率以及把直流電流轉(zhuǎn)成交流電流并對(duì)它進(jìn)行調(diào)制、放大。用霍耳效應(yīng)制作的傳感器廣泛用于磁場(chǎng)、位置、位移、轉(zhuǎn)速的測(cè)量。（1）用什么原理來(lái)解釋霍耳效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理？霍耳電勢(shì)差是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)電流IH通過(guò)霍耳元件（假設(shè)為P型）時(shí)，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生一個(gè)洛淪茲力（1）式中q為電子電荷。洛淪茲力使電荷產(chǎn)生橫向的偏轉(zhuǎn)，由于樣品有邊界，所以有些偏轉(zhuǎn)的載流子將在邊界積累起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)E，直到電場(chǎng)對(duì)載流子的作用力FE=qE與磁場(chǎng)作用的洛淪茲力相抵消為止，即（2）這時(shí)電荷在樣品中流動(dòng)時(shí)將不再偏轉(zhuǎn)

3、，霍耳電勢(shì)差就是由這個(gè)電場(chǎng)建立起來(lái)的。4如果是N型樣品，則橫向電場(chǎng)與前者相反，所以N型樣品和P型樣品的霍耳電勢(shì)差有不同的符號(hào)，據(jù)此可以判斷霍耳元件的導(dǎo)電類型。（2）如何用霍耳效應(yīng)側(cè)磁場(chǎng)？設(shè)P型樣品的載流子濃度為p，寬度為b，厚度為d。通過(guò)樣品電流IH＝pqvbd，則空穴的速度v＝IH／pqvbd，代入（2）式有（3）上式兩邊各乘以b，便得到（4）稱為霍耳系數(shù)。在應(yīng)用中一般寫成UH＝KHIHB.（5）比例系數(shù)KH＝RH／d＝1／pqd稱為霍耳元件靈敏度，單位為mV/(mA·T)。一般要求KH愈大愈好。KH與載流子濃度p成反比。半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃

4、度遠(yuǎn)比金屬載流子濃度小，所以都用半導(dǎo)體材料作為霍耳元件。KH與片厚d成反比，所以霍耳元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。由（5）式可以看出，知道了霍耳片的靈敏度KH，只要分別測(cè)出霍耳電流IH及霍耳電勢(shì)差UH就可算出磁場(chǎng)B的大小。這就是霍耳效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)的原理。2、如何消除霍耳元件副效應(yīng)的影響？在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，還會(huì)伴隨一些熱磁副效應(yīng)，它使所測(cè)得的電壓不只是UH，還會(huì)附加另外一些電壓，給測(cè)量帶來(lái)誤差。這些熱磁效應(yīng)有埃廷斯豪森效應(yīng)，是由于在霍耳片兩端有溫度差，從而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)UE，它與霍耳電流IH、磁場(chǎng)B方向有關(guān)；能斯特效應(yīng)，是由于當(dāng)熱流通過(guò)霍

5、耳片（如1，2端）在其兩側(cè)（3，4端）會(huì)有電動(dòng)勢(shì)UN產(chǎn)生，只與磁場(chǎng)B和熱流有關(guān)；里吉-勒迪克效應(yīng)，是當(dāng)熱流通過(guò)霍耳片時(shí)兩側(cè)會(huì)有溫度差產(chǎn)生，從而又產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)UR，它同樣與磁場(chǎng)B及熱流有關(guān)。除了這些熱磁副效應(yīng)外還有不等位電勢(shì)差U0，它是由于兩側(cè)（3，4端）的電極不在同一等勢(shì)面上引起的，當(dāng)霍耳電流通過(guò)1，2端時(shí)，即使不加磁場(chǎng)，3和4端也會(huì)有電勢(shì)差U0產(chǎn)生，其方向隨電流IH方向而改變。因此，為了消除副效應(yīng)的影響，在操作時(shí)我們要分別改變IH的方向和B的方向，記下四組電勢(shì)差數(shù)據(jù)，作運(yùn)算并取平均值：由于UE方向始終與UH相同，所以換向法不能消除它，但

6、一般UE<

7、不變），讀出“UH輸出”上的讀數(shù)U2；K1，K2同時(shí)換向（相對(duì)于最初位置），讀出“UH輸出”上的讀數(shù)U3；K2不變（同最初位置），K1換向（相對(duì)于最初位置），讀出“UH輸出”上的讀數(shù)U4。（3）保持IM不變，將工作電流Is依次取1.00mA,2.00mA,3.00mA,4.00mA,5.00mA,6.00mA,7.00mA,按步驟（2）得到相應(yīng)的U1，U2，U3，U4的值，并在表格中記錄數(shù)據(jù)。(mV/mA)1.002.003.004.005.006.00六、數(shù)據(jù)處理1、以UH為縱坐標(biāo)，Is為橫坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上做出UH－Is關(guān)系曲線，考察是否

8、為過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線。2、求出UH－Is關(guān)系曲線的直線斜率，并根據(jù)給定的霍爾元件的靈敏度K（線圈上標(biāo)有，單位mV/(mA.T)），計(jì)算出電磁鐵磁極之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（即斜率除以