螺线管磁场讲义

1霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布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，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。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，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。一、实验目的1．掌握测试霍尔元件的工作特性。2．学习用霍尔效应法测量磁场的原理和方法。3．学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。二、实验原理1．霍尔效应法测量磁场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仑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的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。对于图（1）（a）所示的N型半导体试样，若在X方向的电极D、E上通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力BveFg（1）其中e为载流子（电子）电量，为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B为磁感应强度。无论载流子是正电荷还是负电荷，Fg的方向均沿Y方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y方向即试样A、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A、A´两侧产生一个电位差VH，形成相应的附加电场E—霍尔电场，相应的电压VH称为霍尔电压，电极A、A´称为霍尔电极。电场的指向取决于试样的导电类型。N型半导体的多数载流子为电子，P型半导体的多数载流子为空穴。对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样则沿Y方向，有型）（型）（P00)(),(HHENEZBXIs显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，试样中载流子将受一个与Fg方向相反的横向电场力HEeEF（2）其中EH为霍尔电场强度。FE随电荷积累增多而增大，当（a）（b）图（1）样品示意图2达到稳恒状态时，两个力平衡，即载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力BVe相等，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有BVeeEH（3）设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则电流强度Is与的V关系为bdVneIs（4）由（3）、（4）两式可得dIsBRdIsBnebEVHHH1（5）即霍尔电压VH（A、A´电极之间的电压）与IsB乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数neRH1称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。由式（5）可见，只要测出VH（伏）以及知道Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3／库仑）。810IsBdVRHH（6）上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位（高斯）而其它各量均采用C、G、S实用单位而引入。霍尔元件就是利用上述霍尔效应制成的电磁转换元件，对于成品的霍尔元件，其RH和d已知，因此在实际应用中式（5）常以如下形式出现：BIKVSHH（7）其中比例系数neddRKHH1称为霍尔元件灵敏度（其值由制造厂家给出），它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压。Is称为控制电流。（7）式中的单位取Is为mA、B为KGS、VH为mV，则KH的单位为mV/（mA·KGS）。KH越大，霍尔电压VH越大，霍尔效应越明显。从应用上讲，KH愈大愈好。KH与载流子浓度n成反比，半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，因此用半导体材料制成的霍尔元件，霍尔效应明显，灵敏度较高，这也是一般霍尔元件不用金属导体而用半导体制成的原因。另外，KH还与d成反比，，因此霍尔元件一般都很薄。本实验所用的霍尔元件就是用N型半导体硅单晶切薄片制成的。由于霍尔效应的建立所需时间很短（约10-12—10-14s），因此使用霍尔元件时用直流电或交流电均可。只是使用交流电时，所得的霍尔电压也是交变的，此时，式（7）中的Is和VH应理解为有效值。根据（7）式，因KH已知，而Is由实验给出，所以只要测出VH就可以求得未知磁感应强度B。SHHIKVB(8)2．霍尔电压VH的测量方法应该说明，在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A＇两电极之间的电压并不等于真实的VH值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理（参阅附录）可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除，具体的做法是保持Is和B（即IM）的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的Is和B组合的A、A＇两点之间的电压V1、V2、V3和V4，即3+IS+BV1+IS-BV2-IS-BV3-IS+BV4然后求上述四组数据V1、V2、V3和V4的代数平均值，可得)(414321VVVVVH（9）通过对称测量法求得的VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以略而不计。（8）、（9）两式就是本实验用来测量磁感应强度的依据。3．载流长直螺线管内的磁感应强度螺线管是由绕在圆柱体上的导线构成的，对于密绕的螺线管，可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈的并排组合，因此一个载流长直螺线管轴线上某点的磁感应强度，可以从对各圆形电流在轴线上该点所产生的磁感应强度进行积分求和得到。根据毕奥—萨伐尔定律，当线圈通以电流IM时，管内轴线上P点的磁感应强度为)cos(cos21210MPNIB(10)其中μO为真空磁导率，μO=4π×10-7亨利/米，N为螺线管单位长度的线圈匝数，IM为线圈的励磁电流，β1、β2分别为点P到螺线管两端径失与轴线夹角，如图（2）所示。根据式（10），对于一个有限长的螺线管，在距离两端口等远的中心处轴上O点，221)2()2(2cosDLL，222)2()2(2cosDLL式中D为长直螺线管直径，L为螺线管长度。此时，磁感应强度为最大，且等于220222200))21()21(21)21()21(21(21DLLNIDLLDLLNIBMM（11）由于本实验仪所用的长直螺线管满足LD，则近似认为MNIB00（12）在两端口处，221)21(cosDLL，0cos2磁感应强度为最小，且等于图（2）42201)21(21DLLNIBM（13）同理，由于本实验仪所用的长直螺线管满足LD，则近似认为MNIB0121（14）由（13）、（14）式可知，0121BB由图（3）所示的长直螺线管的磁力线分布可知，其内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系，渐近两端口时，这些直线变为从两端口离散的曲线，说明其内部的磁场在很大一个范围内是近似均匀的，仅在靠近两端口处磁感应强度才显著下降，呈现明显的不均匀性。根据上面理论计算，长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强度的1/2。三、实验内容1．霍尔元件输出特性测量A．仔细阅读本实验仪使用说明书后，按图（4）连接测试仪和实验仪之间相对应的Is、VH和IM各组连线，Is及IM换向开关投向上方，表明Is及IM均为正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。VH、Vσ切换开关投向上方测VH，投向下方测Vσ。经教师检查后方可开启测试仪的电源。注意：图3中虚线所示的部分线路即样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好。必须强调指出：决不允许将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“Is输入”或“VH输出”处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！为了准确测量，应先对测试仪进行调零，即将测试仪的“Is调节”和“IM调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若VH显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。B．转动霍尔元件探杆支架的旋钮X1、X2、Y，慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置。C．测绘VH—Is曲线将实验仪的“VH、Vσ”切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换”置VH。取IM=0.800A，并在测试过程中保持不变。依次按表1所列数据调节Is，用对称测量法（详见附录）测出相应的V1、V2、V3和V4值，记入表1中，图（3）图（4）5绘制VH—Is曲线，并对该曲线进行简单的分析。表1IM=0.800AIs（mA）V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+IS、+B+IS、-B-IS、-B-IS、+B4.005.006.007.008.009.0010.00D．测绘VH—IM曲线实验仪及测试仪各开关位置同上。取IS=8.00mA，并在测试过程中保持不变。依次按表2所列数据调节IM，用对称测量法测出相应的V1、V2、V3和V4值，记入表2中，绘制VH—IM曲线，并对该曲线进行简单的分析。注意：在改变IM值时，要求快捷，每测好一组数据后，应立即切断IM。表2IS=8.00mAIM（A）V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+IS、+B+IS、-B-IS、-B-IS、+B0.3000.4000.5000.6000.7000.8000.9001.0002．测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布曲线取IS=8.00mA，IM=0.800A，并在测试过程中保持不变。A．以螺线管轴线为X轴，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=14-X1-X2，调节霍尔元件探杆支架的旋钮X1、X2，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、1.5、2.0、5.0、8.0、11.0、14.0cm等读数处，再调节X2旋钮，保持X1=14.0cm，使X2停留在3.0、6.0、9.0、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0cm等读数处，按对称测量法测出各相应位置的V1、V2、V3、V4值，并根据（8）、（9）两式计算相对应的VH及B值，记入表3中。根据（10）式计算相对应的理论B值，记入表3中，其中221)21()2(2cosDXLXL，222)21()2(2cosDXLXLB．绘制B—X曲线，对该曲线进行简单的分析，并验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置磁感应强度的1/2（可不考虑温度对VH的影响）。(mV)4VVVVV4321H(mV)4VVVVV4321H6C．将实验得到的螺线管轴向磁感应强度B值与计算得到的理论B值进行比较，求出相对误差（需考虑温度对VH值的影响），并写出计算理论值B与实验值B时所需要的公式。如果误差太大有可能是实验仪器中所提供的霍尔元件灵敏度KH值有较大误差所致，可根据理论值对KH值进行简单修正。表3IS=8.00mA，IM=0.800AX1(cm)X2(cm)X(cm)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)VH(mV)B(KGS)+Is、+B+Is、-B-Is、-B-Is、+B实验值理论值相对误差0.00.00.50.01.00.01.50.02.00.05.00.08.00.011.00.014.00.014.03.014.06.014.09.014.012.014.012.514.013.014.013.514.014.0注：①测绘B—X曲线时，螺线管两端口附近磁强变化大，应多测几点。②霍尔元件灵敏度KH值和螺线管单位长度线圈匝数N均标在实验仪上。四、预习思考题1．在什么样的条件下会产生霍尔电压，它的方向与哪些因素有关？2．实验中在产生霍尔效应的同时，还会产生那些副效应，它们与磁感应强度B和电流Is