昆明理工大学物理实验讲义(印刷稿)

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1、目录1、霍尔法测磁场12、用示波器研究互感耦合线圈63、电表的改装和校准114、夫兰克-赫兹实验165、密立根油滴实验226、光电效应实验317、等厚干涉实验378、温度传感器研究429、分光计的认识和调整5110、衍射光栅实验5811、迈克尔逊干涉实验6212、空气中声速的测定6513、光纤通讯技术实验6814、用旋光仪测定液体的浓度7315、光电二极管伏安特性测定76801、霍尔法测磁场[实验目的](1)了解产生霍耳效应的机理，明确应用霍耳效应测量磁场的原理。(2)学习用霍耳元件测量磁场的基本方法。(3

2、)进一步熟悉箱式电位差计的使用方法。[仪器用具]螺线管磁场实验仪、箱式电位差计、稳压电源、安培表、毫安表、干电池、滑线变阻器、开关等(或：螺线管磁场实验仪、HLZ-5螺线管磁场测试仪)。[实验原理]图1-1.霍尔效应示意图霍耳元件是根据霍耳效应制作的一种磁电转换元件。如图1-1所示，一块边长分别为和b、厚度为d的长方形半导体薄片，放在均匀磁场中，并使薄片平面垂直于磁场方向，若在l、2端面通以电流I，则在3、4端面间就产生一电位差，这一现象称为霍耳效应，其电位差称霍耳电压VH。霍耳效应是由于运动电荷在磁场中受

3、到洛仑兹力作用而产生的。设电流I由带负电的载流子(电子)的运动形成(元件是由均匀的n型半导体材料做成的)，则电子受到洛仑兹力为方向沿Z轴向上，电子在Fm的作用下发生偏转，并聚积在端面3上．使端面3带负电荷，端面4带正电荷，从而在3、4两端面间建立起电场E。这电场使电子又受到电场力Fe=-eE的作用，Fe与Fm方向相反。开始时，电子将继续聚积到端面3上，电场E继续增大，直至为止，此时就在3、4端面间形成一稳定的电场和稳定的电压，于是有设霍耳元件中载流子（电子）的密度为ne，则I的大小为：，由上二式可解得80（

4、1-1）式中，称为霍耳系数；称为霍耳元件的灵敏度，单位为：mV/(mA×T)，它反映效应的强弱，其大小与材料特性(种类、载流子浓度等)及元件的几何尺寸有关。如果霍耳元件为p型(即载流子为空穴)半导体材料做成的，则（其中np为空穴的密度)。由于n型半导体的霍耳系数比p型半导体的霍耳系数大，所以霍耳元件大都采用n型半导体材料。由（1-1）式有（1-2）如果霍耳元件的KH值已知，只要测出实验中的工作电流I和霍耳电势差VH，就可算出霍耳元件所在处的磁感应强度。图1-2.霍尔元件等位面示意图等位面1234在实验中，伴

5、随着霍耳效应，还有一些副效应，所产生的附加电压，叠加在VH上，使得测出的电压不只是霍耳电压VH，附加电压的来源主要有以下几种：1．不等位电位差V0在霍耳元件的制造工艺中，很难将霍耳电极3、4焊在同一等位面上，如图1-2所示，因此当电流流过霍耳元件时，端面3、4间就会有一电位差V0，且式中r为沿X方向3、4两点间的电阻。V0的方向与电流的方向有关，与外加磁场的方向无关。2．厄廷好森效应及其产生的电压VE当放在磁场B中的霍耳元件通以电流I后，由于载流子迁移速度的不同，载流子所受的洛仑兹力也不相等。表明速度为v的

6、载流子达到动态平衡。以电子为例，速度大于v的电子，满足，因而聚集在端面3上；速度小于v的电子，满足，因而聚集在端面4上。由于快速电子的能量大，转换成的热能多，使端面3的温度升得较高；反之，端面4的温度则较低，两端面就有一定的温度差，又因为电极与霍耳元件的制作材料不同，电极材料与霍耳元件形成一热电偶，所以这一温度差就会使3、4端面之间产生温差电压VE，这种现象称厄廷好森效应，VE的大小与IB乘积成正比，方向随I、B的换向而改变。3．能斯脱效应及其产生的电压VN由于电流I流入和流出霍耳元件的电极接头处的电阻不同

7、，电流在两极处产生的焦耳热也不同，因而也会引起温差电动势。这电动势又引起附加的80电流，此电流在磁场作用下产生一个类似于VH的电压VN，这一现象称能斯脱效应。VN只与外磁场B的方向有关，与电流I的方向无关。4．里纪-勒杜克效应及其产生的电压VR能斯脱效应产生的电流也有厄廷好森效应，从而产生电压VR，这一现象称里纪-勒杜克效应，VR只与磁场B的方向有关，与电流I的方向无关。这四种副效应使得霍耳电压难以测准。有时四种副效应产生的电压的总和，会远大于霍耳效应，因此必须减小和消除它们的影响。根据它们与电流I和磁场B

8、的关系，可以用下述方法减小或消除它们的影响。若实验测得的电压V1为：我们把此情况下的B和I定为（+B，+I），则当（+B，-I)时有：当（-B，-I)时有：当（-B，+I)时有：由上述四式可消除V0、VN、VR，得实验证明，VE较VH小得多，在误差范围内可略去，所以由于V2、V4对V1、V3来说测得的VH为为负值，故有（1-3）[实验装置]图1-3测绘通电螺线管轴向磁场实验电路图实验装置电路如图1-3，可以分为以