袁树青-霍尔效应1

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1、霍尔效应及磁场的测量太原理工大学物理与光电工程学院物理实验中心EdwinHall（1855～1938）霍尔效应是霍尔(Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。背景介绍霍尔效应量子霍尔效应长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。1980年,德国物理学家克利青(KlausvonKlitzing)发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随

2、着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。背景介绍分数量子霍尔效应高纯度半导体材料超低温环境：仅比绝对零度高十分之一摄氏度（约－273℃）超强磁场：当于地球磁场强度100万倍背景介绍崔琦RobertLaughlinHorstStormer构造出了分数量子霍尔系统的解析波函数1998年的诺贝尔物理学奖分数量子霍尔效应实验原理现象——霍尔效应在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所

3、产生的电势差称为霍尔电压。理论分析磁场中运动载流子受洛伦兹力作用电荷聚集形成电场电场力与洛伦兹力达到平衡，形成稳定电压UHmA-BmV又考虑到(n为载流子浓度)实验原理即：KH=1/(nqd)称为霍尔元件的灵敏度.IS为流过霍尔元件的电流，即其工作电流.——如果已知霍尔片的灵敏度KH，用仪器测出VH和IS即可求得磁感应强度的量值.埃廷斯豪森效应ＵE∝Ｉx·ＢzP型半导体+_温度低温度高Jx⊙ＢzN型半导体EyJx_+温度低温度高⊙ＢzEy霍尔效应中的负效应ＵE方向与I和Ｂ方向有关。由于材料中载流子的速度不同，在磁场的作用下，载流子的偏转半径不同，从而在y轴方向产生温度梯度，由

4、此温度梯度形成的温差电动势为埃廷斯豪森电压。能斯特效应沿x方向通以电流，两端电极与样品的接触电阻不同而产生不同的焦耳热，致使x方向产生温度梯度，这一温度梯度引起一附加的纵向热扩散电流，在磁场的作用下，从而在y轴方向产生横向电位差，为能斯特电压。ＵN∝Ｑx·ＢzＵN方向只与Ｂ方向有关。霍尔效应中的负效应里吉-勒迪克效应纵向热扩散电流，在磁场的作用下，从而在y轴方向产生横向温差，这一横向温差又引起横向电位差，为里吉-勒迪克电压。ＵRL∝Ｑx·ＢzＵRL的方向只与Ｂ的方向有关。霍尔效应中的负效应不等位效应Ｕ0＝Ｉx·R0制备霍尔样品时,y方向的测量电极很难做到处于理想的等位面上，即

5、使在未加磁场时，在Ａ、Ｂ两电极间也存在一个由于不等位电势引起的欧姆压降Ｕ0U0的方向只与Ix的方向有关。霍尔效应中的负效应霍尔效应中负效应的消除埃廷斯豪森效应ＵE方向与I和Ｂ方向有关。能斯特效应ＵN方向只与Ｂ方向有关。里吉-勒迪克效应ＵRL的方向只与Ｂ的方向有关不等位效应U0的方向只与I的方向有关。负效应的消除：改变I和B的方向，即对称测量法。+B,+I,测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0+B,-I,测得电压U2=-UH-UE+UN+URL-U0-B,-I,测得电压U3=UH+UE-UN-URL-U0-B,+I,测得电压U4=-UH-UE-UN-URL+U0UH=（

6、U1-U2+U3-U4)/4-UE忽略UE则UH=（

7、U1

8、+

9、U2

10、+

11、U3

12、+

13、U4

14、)/4霍尔传感器的应用1.霍尔式微位移传感器动态范围可达5mm分辨率为0.001mm2.霍尔式转速传感器右图是霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连,当被测转轴转动时,磁性转盘随之转动,固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲,检测出单位时间的脉冲数,便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。霍尔传感器的应用1-输入轴；2-转盘；3-小磁铁；4-霍尔传感器实验内容实验任务——利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度

15、的分布.完成这一实验任务，必须做以下工作：仪器调节(将仪器调节到标准工作状态).仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系).测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.关键提示本实验关键点如下：1.接线2.调标准工作状态3.定标：固定位置、改变励磁电流4.测量：固定励磁电流、改变位置请按以上关键点阅读以下材料。实验装置FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪包括实验主机、集成霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单刀换向开关、三芯电源线及导线若干.实验装置——电源组和数字电压表实验装置——集成霍耳传感器探测棒、螺线管