霍尔元件

用霍尔效应测量磁场一、实验内容：1.了解霍尔电压产生的机制；2.学会用霍尔元件测量磁场的基本方法二、实验仪器：螺线管磁场测试仪、长直螺线管磁场装置、双刀换向开关三、实验原理：1.霍尔效应图1霍耳效应如图（1）所示，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1、2两端加上电压，同时有一个磁场B垂直穿过元件的宽面时，在3、4两端产生电位差(HV)，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Bf和静电作用力Ef相等时，3、4两面将建立起一稳定的电位差，即霍耳电压HV:BIKVHHH（1）HK是霍尔元件的灵敏度。2.附加电压1）不等位电势差0V：与磁场B换向无关，随电流HI换向而换向；mvZ1YBXIv2432）厄廷好森（Etinghausen）效应温差电势差0V：随磁场B和电流HI换向而换向；3）能斯脱（Nernst）效应热流电势差pV：随磁场B换向而换向，与电流HI换向无关；4）里纪－勒杜克（Righi-leduc）效应附加温差电势差sV：随磁场B换向而换向，与电流HI换向无关；3.附加电压的消除根据附加电压随磁场B和电流HI换向而各自呈现的特点加以消除。（+HI，+B）sptHVVVVVV01（-HI，+B）sptHVVVVVV02（-HI，-B）sptHVVVVVV03（+HI，-B）sptHVVVVVV04测量表达式：)(414321VVVVVH（2）四、实验步骤：1.仪器连接将螺线管磁场装置与螺线管磁场测试仪电路连接好：2.调节螺线管的励磁电流MI(或HI)、调节霍耳元件的工作电流IS(或HI)测试仪在通电前，应将“IS(或HI)调节”和“MI调节”两个旋钮置于零位(即逆时针旋到底)。实验中调节“励磁电流调节”旋钮使励磁电流显示为1.000A；调节“工作电流调节”红红黑黑工作电流调节换向开关换向开关换向开关励磁电流调节工作电流霍耳电压励磁电流旋钮，使工作电流显示为5.00mA3.测量螺线管轴线的磁场分布1)以相距螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点，探头离中心位置x=12.5-x1-x2，轻轻转动螺线管底座上的标尺旋钮，使测距尺读数x1=x2=0.0cm。先调节x1旋钮，保持x2=0.0cm，使x1停留在0.0、0.5、1.0、2.0、4.5、7.0、10.0、12.5cm等读数处，再调节x2旋钮，保持x1=12.5cm，使x2停留在1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0、11.5、12.5cm等读数处，按对称测量的方法测出相应的V1、V2、V3、V4值。2)记下KH的值，由(2)式及(1)式得此点的VH与B。4.绘制出螺线管内的B-X磁场分布曲线。根据上述测量结果，绘制螺线管内的B-X磁场分布曲线。五、数据记录和数据处理：KH=0.5mV/(mA.T)L=25.0cmr=2.50cmN=2500匝IM=1000mAX（cm）V1(mv)（＋IS,+B）V2(mv)（+IS,-B）V3(mv)（－IS,－B）V4(mv)（IS,+B）VH(mv)B(T)数据处理要求：1）计算螺线管中点的磁场强度B，并与理论值比较求相对误差；20204rLINBMAmT/104702）在坐标纸上绘制螺线管内的B~X磁场分布曲线。六、注意事项：1.绝不允许将测试仪上的励磁电流“IM输出”错接到“工作电流”出，也不可错接到“霍耳电压”处，否则，一旦通电，霍耳元件立即烧毁。2.霍耳元件质脆，引线的接头细小，容易损坏，旋进旋出时，操作动作要轻缓。3.V1、V2、V3、V4本身还含有“＋”、“－”号，测量记录时不要忘记。4.仪器开机前应将两个电流调节旋钮逆时针旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后开机。5.关机前，应将两个电流调节旋钮逆时针旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后关机。七、思考题：1）产生霍尔效应的机理？2）消除霍尔效应副效应的方法？提示：根据每一种附加电压随磁场B和电流HI换向而变化的的特点加以消除。3）若磁场的法线不是恰好与霍耳元件的法线一致，对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B与元件法线是否一致？提示：若磁场的法线不是恰好与霍耳元件的法线一致，则霍耳电压BIKVHHH中的磁场B的只是外磁场在霍耳元件的法线方向上的分量，因而会导致测量结果偏小。显然，缓慢变化霍耳元件的方向，观察其输出电压，电压最大时说明两者方向一致，否则，方向不一致。4）能否用霍耳元件片测量交变磁场？提示：由于霍尔电压建立的时间很短（约10-12－10-14s），故加在霍尔元件上的电流也可以是交变的，产生的霍尔电压HV也是交变，此时上式仍成立，只是式中的HI、HV应是有效值。5）根据磁场B的方向，工作电流I的方向及霍耳电压HV的正负，如何判断所用霍耳元件是N型（载流子为电子）还是P型（载流子为空穴）半导体？提示：电流、磁场方向如图所示。根据BvqfB来判断。若霍耳元件是N型（载流子为电子）半导体，则4面为正，3面为负，霍耳电压HV为正；若是P型（载流子为空穴）半导体，则4面为负，3面为正，霍耳电压HV为负。mvZ1YBXIv243