霍尔效应测磁场

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1、北方民族大学基础物理实验中心大学物理实验指导书实验四、霍尔效应法测量磁场美国物理学家霍尔(Hall,EdwinHerbert,1855-1938)于1879年在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔效应此后在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用，比如测量磁场的高斯计。实验目的1、掌握霍尔效应法测量磁场的原理和方法；2、学习用“异号法”消除副效应产生的系统误差。实验仪器HL—10霍尔效应实验组合仪测试仪包

2、括两路直流稳定电源。±1000mA供给电磁铁的励磁电流和±10.0mA供给霍尔元件的工作电流。全套HL—10型霍尔效应实验组合仪由：实验装置部分和测试部分组成。65第三部分基本实验-----霍尔效应法测磁场实验原理霍尔效应是运动的载流子在磁场中受到洛伦兹力发生偏转而产生的，利用霍尔效应原理作出来的电子元件统称为霍尔元件，本实验所用的的霍尔元件是一个长方形的均匀半导体薄片，称为霍尔片。如图所示，其宽为b，厚度为d。如果把元件置于垂直于元件平面的磁场B中，当通入电流I（与B方向垂直）时，载流子（N型半导体为带负电荷的电子，P型半导体为带

3、d正电荷的空穴）在磁场中受洛伦兹力F的作用而偏转，从而在侧面形成电势差U（霍尔mH电压）。设载流子平均速率为v每个载流子的电荷量为e，当载流子所受洛伦兹力与霍尔dUH元件表面电荷产生的电场力相等时。则U达到稳定：ee=vBHdbIBhU=RBh霍耳电压HHdFmdbhv++++qdU+H----hIFedQ若自由电子的浓度为n，则霍尔片的工作电流I可表示为I==envS=envbddddtIBIB1所以有：UR==，其中，R=称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱HHHnqddne66北方民族大学基础物理实验中心大学物理实验指导书R1

4、H的重要参数。进一步定义霍尔灵敏度K为：K==HHdnedUH即得到：UK=IB或B=HHIKH值得注意的是，上式是在作了一些假定的理想情形下得到的，实际情况要复杂得多，产生上述霍尔效应的同时还伴随产生四种附加效应的影响，会产生附加电势差。1、不等位电势不等电势差是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片的两侧或者元件内部等势面不规则而产生的附加电势差U。而不U00的正负随工作电流方向的改变而改变。2、厄廷豪森效应在推导霍尔电压表达式时认为载流子的平均速率是v，而实际上，载流子的速率各不相

5、d同。霍尔电场建立后，速率大于v得载流子所受洛伦兹力大于霍尔电场力；速率小于v的dd载流子所受洛伦兹力小于霍尔电场力。结果导致两侧的载流子数目不同，元件的一侧聚集的高速载流子多，与晶格碰撞使该侧温度较高，而另一册则温度较低，结果在两侧产生附加的温差电动势U。载流子所受洛伦兹力的方向与工作电流I和外磁场B的方向有关，所以UEE得正负随I或B方向的改变而改变。3、能斯特效应给霍尔元件焊接工作电流引线时，由于两端焊点电阻不等，当电流I通过时，在两端产生温度差，从而形成附加的温差电流，该电流在磁场作用下，形成类似于U的附加电势HU。由于附加

6、电流方向由两端温差决定，所以U的正负与工作电流方向无关，随外磁场NN方向改变而改变。4、里纪-勒杜克效应能斯特效应中产生的附加电流的载流子速度不同，因此，也会由于厄廷豪森效应产生温差电动U，由于附加电流方向与工作电流方向无关，所以，U的正负只随磁场方向的改RR变而变。在以上附加电势中，不等位电势U影响最大，三个附加效应的影响均较小。当工作电067第三部分基本实验-----霍尔效应法测磁场流I和磁场B确定后，实际所测得霍尔片两端的电压U,不仅包括霍尔电压U，还有U、H0U、U和U。由于附加电压的正负与工作电流流I和磁场B的方向有关，测

7、量时，改ENR变I和B的方向，可以消除部分附加电势的影响，这种消除系统误差的方法称为对称测量法。设+B、+I时，U=U+U+U+U+U1H0ENR-B、+I时，U=-U+U-U-U-U2H0ENR+B、-I时，U=-U-U-U+U+U3H0ENR-B、-I时，U=U-U+U-U-U4H0ENR1可得：U=(U-U-U+U)-U而一般情况下U比U小得多，可以略去，H1234EEH41即：U=(U-U-U+U)H12344实验内容及步骤1、将霍尔效应组合实验仪上的励磁的电流调节螺钮和工作电流调节螺钮旋到底。2.将励磁电流输出端接入双掷开

8、关K下边的两接线柱上。将霍尔电压输入与K的下边的13两接线柱相连，将工作电流输出与K左边的两接线柱相连。23．将K置于空档，合上K、K，将工作电流调至10mA，测定U的值，（若为UH负值，312H改变K使U为正值），此时的霍尔电压为剩