浙大物理实验——霍尔效应.pptx

18791879年美国物理学家霍尔（年美国物理学家霍尔（E.H.Hall,1855-1938E.H.Hall,1855-1938）在研）在研究载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种磁电效应。后人究载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种磁电效应。后人将它命名为霍尔效应。利用这一效应制成的各种半导体霍尔器将它命名为霍尔效应。利用这一效应制成的各种半导体霍尔器件（如磁探头、磁罗盘、磁鼓存储器、隔离器、回转器等）具件（如磁探头、磁罗盘、磁鼓存储器、隔离器、回转器等）具有频率响应宽、牢靠、小型、测量时无接触、使用寿命长和成有频率响应宽、牢靠、小型、测量时无接触、使用寿命长和成本低廉等优点，在自动化控制、检测技术及信息处理等领域有本低廉等优点，在自动化控制、检测技术及信息处理等领域有着极其广泛的应用。着极其广泛的应用。本实验即采用霍尔效应法实现对螺线管磁场测量。本实验即采用霍尔效应法实现对螺线管磁场测量。第1页/共27页一、实一、实 验验 目目 的的第2页/共27页 1 1、加深了解产生霍尔效应的物理、加深了解产生霍尔效应的物理过程。过程。2 2、学习用霍尔器件测绘长直载流、学习用霍尔器件测绘长直载流螺线管轴向磁场分布的原理和方法。螺线管轴向磁场分布的原理和方法。3 3、学习消除系统误差的一种实验、学习消除系统误差的一种实验方法方法-对称测量法。对称测量法。第3页/共27页二、实二、实 验验 原原 理理第4页/共27页1 1、霍尔效应、霍尔效应 霍尔效应从本质上说是定向运动的霍尔效应从本质上说是定向运动的带电粒子在磁场中受到洛伦磁力的作用带电粒子在磁场中受到洛伦磁力的作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中时，这种偏转穴）被约束在固体材料中时，这种偏转就导致了在垂直于由电流和磁场所构成就导致了在垂直于由电流和磁场所构成平面的方向上产生了正负电荷的聚积，平面的方向上产生了正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。从而形成附加的横向电场。第5页/共27页 2 2、霍尔效应测磁场的工作原理、霍尔效应测磁场的工作原理 若在若在x x方向通以工作电流方向通以工作电流I Is s，在在z z方向加以均匀磁场方向加以均匀磁场B B，则在，则在y y方向即试样方向即试样P P、S S电极两侧就开始电极两侧就开始聚积等量异号电荷从而产生相应聚积等量异号电荷从而产生相应的附加电场。电场力的附加电场。电场力 与洛仑与洛仑磁力磁力 相等时，试样两侧电荷相等时，试样两侧电荷就达到动态平衡。就达到动态平衡。式中式中E EH H为霍尔电场，为霍尔电场，v v是载流子在是载流子在电流方向上的平均漂移速度。电流方向上的平均漂移速度。第6页/共27页 设试样的宽为设试样的宽为b b，厚度为，厚度为d d，载流子浓度为，载流子浓度为n n，则，则 比例系数比例系数R RH H=1/ne=1/ne为霍尔系数，对于成品的霍尔器件，其为霍尔系数，对于成品的霍尔器件，其R RH H和和d d已知已知 ，因此，因此其中其中 称为霍尔器件灵敏度（其值由制造厂家给出可以在仪器的左称为霍尔器件灵敏度（其值由制造厂家给出可以在仪器的左上角读得）上角读得）,则则 第7页/共27页3 3、霍尔电压霍尔电压V VH H的测量方法的测量方法 A A、霍尔效应的副效应种类：、霍尔效应的副效应种类：1 1）不等位电压降）不等位电压降U Uo o(与与I IS S方向有关方向有关)由由于于工工艺艺上上的的困困难难，霍霍耳耳电电极极两两端端引引线线不不恰恰好好在在一一个个等等位位面面上上。只只要要有有电电流流I IS S通通过过，即即使使无无磁磁场场，因因沿沿I IS S方方向向有有电电压压，两两端端也也会会有有附附加加电电压压U UO O，显然，显然U Uo o与与I IS S方向有关。方向有关。I IS S反向，反向，U Uo o随之反向。随之反向。2 2）爱廷豪森效应）爱廷豪森效应U UE E(与与I IS S、B B方向都有关方向都有关)18871887年年爱爱廷廷豪豪森森发发现现，霍霍耳耳元元件件中中载载流流子子速速度度并并非非都都相相同同。对对速速度度大大的的载载流流子子，洛洛伦伦兹兹力力较较大大，对对速速度度小小的的载载流流子子，霍霍耳耳电电场场力力较较大大。这这样样，快快慢慢两两种种载载流流子子分分别别向向两两端端偏偏转转，两两种种载载流流子子动动能能不不同同，向向两两侧侧转转化化的的热热能能不不同同，使使得得两两侧侧形形成成温温差差，从从而而产产生生横横向向的的温温差差电电压压U UE E迭迭加加在在U UH H上上。I IS S的的方方向向或或B B的的方方向向的的改改变变，都都会会使使得得快快慢慢载载流流子子偏偏转转方方向向改改变变，从从而而使使U UE E方方向改变。向改变。第8页/共27页4 4）里纪）里纪勒杜克效应勒杜克效应U UR R(与与B B有关有关)上述热扩散电流上述热扩散电流I I的载流子迁移速度也不同，类似于爱廷豪森的载流子迁移速度也不同，类似于爱廷豪森效应，也将产生温差电动势效应，也将产生温差电动势U UR R，U UR R方向与方向与B B方向有关，与方向有关，与I IS S的方向无关。的方向无关。3）能斯脱效应）能斯脱效应U UN N(与与B B有关有关)工工作作电电流流引引线线焊焊点点两两端端处处接接触触电电阻阻不不同同，通通电电后后发发热热程程度度不不同同，使使两两端端存存在在温温差差，于于是是出出现现热热扩扩散散电电流流I I迭迭加加在在工工作作电电流流I IS S上上，加加上磁场后，也会引起横向电压上磁场后，也会引起横向电压U UN N。I I的的方方向向是是固固定定的的，改改变变B B的的方方向向，U UN N方方向向改改变变。但但U UN N方方向向与与I IS S方向无关。方向无关。第9页/共27页 具体的做法是保持具体的做法是保持I IS S和和B B（即（即I IM M）的）的 大小不变，并在设定电流和大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依此测量由下列四组不同方向的磁场的正、反方向后，依此测量由下列四组不同方向的I Is s、B B组合的组合的P P、S S两点之间的电压两点之间的电压V V1 1、V V2 2、V V3 3和和V V4 4，即，即 +I+IS S +B V +B V1 1 +I +IS S -B V -B V2 2 -I-IS S -B V -B V3 3 -I -IS S +B V +B V4 4然后求上述四组数据然后求上述四组数据V V1 1、V V2 2、V V3 3和和V V4 4的代数平均值，可得的代数平均值，可得 在产生霍尔效应的同时伴随着多种副效应在产生霍尔效应的同时伴随着多种副效应 ，影响实验结果，应，影响实验结果，应设法消除。因此采用电流和磁场换向的对称测量法设法消除。因此采用电流和磁场换向的对称测量法 ，基本上能够把，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除副效应的影响从测量的结果中消除 。B B、霍尔效应副效应的消除方法、霍尔效应副效应的消除方法 第10页/共27页 4、载流长直螺线管内的磁感载流长直螺线管内的磁感应强度应强度 绕在圆柱面上的螺线形线绕在圆柱面上的螺线形线圈（见图圈（见图2 2）叫做螺线管。根）叫做螺线管。根据比奥据比奥-萨伐尔萨伐尔-拉普拉斯定律拉普拉斯定律 ，长直螺线管轴线上某点的磁感长直螺线管轴线上某点的磁感应强度为应强度为 ：图图2 2第11页/共27页当螺线管半径远小于其长度时，当螺线管半径远小于其长度时，螺线管螺线管两端点，两端点，,0 0=4=41010-7-7N/AN/A2 2，n n为螺线为螺线管单位长度上的匝数，磁场的分布形状如下图：管单位长度上的匝数，磁场的分布形状如下图：第12页/共27页三、实验仪器及装置三、实验仪器及装置第13页/共27页1、实验仪器的结构框图实验仪器的结构框图TH一S型螺线管磁场测试仪VH输入Is输出Is调节Im调节Im调节IsIm测量选择ISVHIM 螺线管螺线管，ISIS，VHVH，IM IM 开关开关螺线管磁场测试仪螺线管磁场测试仪霍尔元件霍尔元件第14页/共27页2 2、霍尔元件移动螺杆的结构与使用、霍尔元件移动螺杆的结构与使用游标X1 X2移动杆垂直调节水平调节第15页/共27页调节中要注意事项调节中要注意事项：1 1：当主尺上的某一数值对准游标上的另位时就表示螺杆调：当主尺上的某一数值对准游标上的另位时就表示螺杆调到什么位置。如图到什么位置。如图1 1 表示表示X1X1调到调到1cm1cm的位置。的位置。2 2：图：图2 2中的垂直调节螺母一般情况下都不需要调整。只有当中的垂直调节螺母一般情况下都不需要调整。只有当螺杆调节非常困难时才略作调节。螺杆调节非常困难时才略作调节。3 3：图：图3 3表示两游标都调节在表示两游标都调节在14cm14cm位置。位置。图1图2图3第16页/共27页霍尔元件移动游标的使用演示霍尔元件移动游标的使用演示第17页/共27页3 3、霍尔元件在螺线管中的位置坐标霍尔元件在螺线管中的位置坐标0014X201414X1右端中间左端 坐标说明说明：调节调节X X1 1，X X2 2可以确定霍尔元件在螺线管中的位置，可以确定霍尔元件在螺线管中的位置，游标游标X X1 1，X X2 2与直角坐标的关系为与直角坐标的关系为X=14-XX=14-X1 1-X-X2 2 例如，当例如，当X X1 1=2=2，X X2 2=5=5时，就可以确定直角坐标的位置是（时，就可以确定直角坐标的位置是（0 0，7 7）。上表列出）。上表列出特殊位置的坐标，其他位置可以照此推理。特殊位置的坐标，其他位置可以照此推理。第18页/共27页四、实四、实 验验 内内 容容第19页/共27页 实验操作前的准备实验操作前的准备在实验操作之前，先掌握以下两项仪器操作要领。在实验操作之前，先掌握以下两项仪器操作要领。1 1：I IS S和和B B（即（即I IM M）的）的 大小设大小设定演示定演示2 2：四组不同方向的：四组不同方向的I Is s、B B组合组合电压电压V V1 1、V V2 2、V V3 3和和V V4 4，的测试演，的测试演示示第20页/共27页 1 1、霍尔器件输出特性测量、霍尔器件输出特性测量 按实验室给出的测量线路进行正确连线，转动霍尔器件探杆支架的旋按实验室给出的测量线路进行正确连线，转动霍尔器件探杆支架的旋钮钮X X1 1、X X2 2，慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置。，慢慢将霍尔器件移到螺线管的中心位置。取取I IM M=0.5A=0.5A，测试过程中保持不变。依次调节，测试过程中保持不变。依次调节I IS S，用对称测量法测出相，用对称测量法测出相应的应的V V1 1、V V2 2、V V3 3和和V V4 4，见表，（表格在下节实验数据记录与处理），测量出，见表，（表格在下节实验数据记录与处理），测量出不同的不同的V VH H ，绘制，绘制V VH H I IS S曲线。曲线。VHIS0第21页/共27页2 2、测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布、测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布 取取I IS S=5mA=5mA，I IM M=0.5A=0.5A，测试过程中保持不变，然，测试过程中保持不变，然后改变霍尔器件在螺线管内的位置（表格见下节实后改变霍尔器件在螺线管内的位置（表格见下节实验数据记录与处理），测量出不同的验数据记录与处理），测量出不同的V VH H ，由公式：，由公式：求出不同位置的磁场强度。求出不同位置的磁场强度。（注（注 由每台仪器提供由每台仪器提供）第22页/共27页五、实验数据记录与处理五、实验数据记录与处理第23页/共27页 同学们可根据以下表格记录数据，然后根据实验中测得的数据绘出同学们可根据以下表格记录数据，然后根据实验中测得的数据绘出V VH H I IS S曲线、曲线、V VH H I IM M曲线，并测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布。曲线，并测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布。IS(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+IS,+B+IS,BIS,BIS,+BV VH H I IS S数据表数据表第24页/共27页V VH H I IM M数据表数据表IM(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)+IS,+B+IS,BIS,BIS,+B第25页/共27页X1(cm)X2(cm)X(cm)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)VH(mV)B(T)+IS,+B+IS,BIS,BIS,+B0.00.00.50.01.00.01.50.02.00.05.00.08.00.011.00.014.00.014.03.014.06.014.09.014.012.014.012.514.013.014.013.514.014.0测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页