实验6 用霍尔元件测磁场
用霍尔元件测磁场
霍尔效应是磁电效应的一种。当在载流导体的垂直方向上加上磁场，则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。这一现象是霍尔于1879年发现的。被称为“霍尔效应”。具有这种效应的不仅是金属，还有半导体、导电流体等。而半导体的霍尔效应比金属强得多。半导体霍耳器件在磁测量中应用广泛。它可用来测量强电流、压力、转速、流量、半导体材料参数等，在自动控制等技术中的应用也越来越多。 【实验目的】
（1）了解产生霍尔效应的物理过程。
（2）学习用霍尔元件测量通电螺线管内部的磁场。 【仪器用具】
TH-S 型螺线管磁场测定实验组合仪、。 【实验原理】 一、霍尔效应原理
霍尔元件是根据霍尔效应原理研制的一种磁电转换元件，是由半导体村料做成的。
如图6-1所示，把一块n 型(即参加导电的载流子是电子)半导体薄片放在垂直于它的磁场B 中，在薄片的四个侧面A 、'
A 及
D 、'D ， 分别引出两对导线， 当沿A 、'
A
方向通过电流I 时，薄片内定向移动的电子将受到洛仑磁力B F 的作用。
QvB F B (6-1) 式中Q ─电子的电荷量；B ─磁感应强度；v ─电子的移动速度。
电子受力偏转的结果，使得电荷在D 、'
D 两侧聚积而形成电场，这个电场又给电子一个与B F 反方向的电场力
E
F ，两侧电荷积累越多，E F 便越大，最后，当上述两力相等时(B F ＝E F )，电荷的积累才达到动态平衡。此时，在薄片D 、'
D 之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势差称为霍尔电压H V ，这种现象即为霍尔效应。设b 、d 分别为薄片的宽度和厚
图6-1 霍尔效应原理图
度，n 为电子浓度，当B F ＝E F 时
b
V Q
QvB H
= (6-2) Qvbdn I -= (6-3)
由式(6-2)和(6-3)可得
IB K Qnd
IB
V H H =-
= (6-4) 式中)(1Qnd K H -=叫做霍尔元件的灵敏度。
同理，如果霍尔元件是p 型(即参加导电的载流子是空穴)半导体，则)(1Qpd K H =，
其中
p 为空穴浓度，因为H K 和载流子的浓度成反比，而半导体的载流子浓度又远比金属的
载流子浓度低，所以采用半导体材料制作霍尔元件，并且将此元件做得很薄(一般mm 2.0≈d )，以便获得较高的灵敏度。
如果将霍尔元件放入待测磁场中，测量出H V 和I ，又已知H K ，则可利用式(6-4)计算出磁感应强度B 来。即
I
K V B H H
=
(6-5) 二、实验中的副效应及消除方法
应当指出：式(6-5)是在作了一些假定的理想情形下得到的。实际上测得的并不只是H V ，还包括其他因素带来的附加电压。因而根据式(6-5)计算出的磁感应强度B 也不准确。所以应在实验中用特殊的方法消除这些附加电压。
1．不等位效应：在理想状态下，接通工作电流I 后，电
极D 、'
D 应位于同一等位面，即当磁场不存在时，D 、'
D 两端没有电位差。由于从半导体材料不同部位切割制成的霍尔元件本身不很均匀，性能稍有差异，加上因霍尔电极D 、'
D 焊
接在霍尔片两侧时不十分对称，实际上不能保证D 、'D 处在同一等位面上。如图6-2所示。
因此实际上H V ≠０，霍尔元件或多或少都存在由于D 、'
D 电位不相等造成的电压0V 。显然，0V 的正负随工作电流I 的换向而改变，而B 的换向对0V 的方向没有影响。
2．爱廷豪森效应：假定载流子(电子或空穴)都是以同一速度移动，实际上载流子的速度
有大有小，因此速度大于v 的载流子因E B F F >'
，而偏向D 侧，(参看图6-1)，速度小于v 的载流子因E B F F <"而偏向'
D
侧，由于高速载流子能量大，使得D 侧温度升高，于是在D 、'
D 之间产生了温差电压
E V ，它的正负既随B 也随I 的换向而改变。
3．能斯脱效应：由于工作电流引线的焊接点A 、'
A 处的电阻不相等，通电流后发热程度不同，A 、'
A 两端的温度也不同。于是A 、'
A 之间出现热扩散电流，在磁场作用下，在D 、
'D 之间产生类似于霍尔电压H V 的电压N V ，N V 的正负随B 的换向而改变，而与I 的换向无
关。
4．里纪—勒杜克效应：上述热扩散电流各个载流子的迁移速度并不相同，根据2.所述理由，又在D 、'
D 两端引起附加的温差电压RL V ，RL V 的正负随B 的换向而改变，而与I 换向无关。
综上所述，在确定的磁场B 和工作电流I 的条件下，实际测量的D 、'
D 两端的电压V ，不仅包括H V ，还包括了0V 、
E V 、N V 、RL V ，是五种电压的代数和。为了消除这些附加电压，在测量中应保持I 和B 的数值大小不变，分别改变它们的方向，可消除附加电压的影响。具体作法是，先确定某一方向的I 和B 均为正，用+I 和+B 来表示，反之为负，用-I 、-B 表示，按下列要求测四组数据：
〔+I 、+B 〕时测出：RL N E H V V V V V V ++++=01 〔-I 、+B 〕时测出：RL N E H V V V V V V ++---=02 〔+I 、-B 〕时测出：RL N E H V V V V V V ---+-=03
图6-2 霍尔元件的不等位效应
〔-I 、-B 〕时测出：RL N E H V V V V V V --+-=04 由以上四个等式可得
E H V V V V V V -+--=
)(4
1
4321 一般情况下H E V V <<，故在误差范围内可以略去E V ，则
)(4
1
4321V V V V V H +--=
(6-6) 三、实验装置
如图6-3所示，本实验装置将霍尔元件、长直螺线管及换向开关，安装在一封闭箱内，打开箱盖即可使用。霍尔元件H 封装在仪器中的螺线管内，它的法线与管轴一致。霍尔元件在管内的位移采用游标移动尺装置，可进行左右或上下二维移动。用游标卡尺读取位置数据，实验装置的三个换向开关分别同霍尔元件和螺线管连接。开关1S 为螺线管励磁电流输
入端，开关2S 为霍尔元件控制电流输入
端，开关3S 为霍尔电压输出端。换向开关1S 、2S 分别用来改变磁场的方向和电流的方向。由于测量霍尔电压的电位差计读数盘是单方向的，而霍尔电压随控制电流和磁场方向的变化而变化，因此当调节电位差计的检流计达不到平衡时，需改变霍尔电压的方向，即将换向开关3S 换向。
本装置所用螺线管长cm 00.29=L ，。霍尔元件的工作电流mA 00.8=I ，通过螺线管的励磁电流A 80.0=m I ，其霍尔灵敏度H K 、线圈总匝数N 匝标在装置箱内面板上。 【实验内容】
1．按图6-3连接线路，取mA 00.8=I ，A 80.0=m I 并在测试过程中保持不变。经老师检查后方可通电调试。
2．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
图6-3 用霍尔元件测磁场电路图
位置X ＝14－21X X -,调节霍尔元件探杆支架的旋钮21,X X ，使测距尺0.021==X X 。 先调节1X 旋钮，保持cm X 0.02=。使1X 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，在调节2X 旋钮，保持cm X 0.141=，使2X 停留在4.0、9.0、12.0、13.0、14.0cm 等读数处，按对称测量法测出各相应位置的1V 、2V 、3V 、4V ，并根据(6-5)、(6-6)两式计算相应的H V 及B 值，记人表中。
3．将2S 、1S 扳向上方，此时规定I 、B 分别为+I 、+B ，反之为-I 、-B 。 4．调节I S,I m 调节旋钮使mA 00.8=I ，A 80.0=m I 。测量每个数据都要保证I 和m I 始终不变。
5．分别测出表6-1中霍尔元件置于各点的1V 、2V 、3V 、4V 之值，将所测数据连同正负号填入数据记录表中。
6．将1V 、2V 、3V 、4V 各值及正负号代入式(6-6)中，计算V H 的值，并计算相应的B 值，填入表6-1中。
7．以x 读数为横坐标，B 值为纵坐标，在坐标纸上作出螺线管中磁感应强度B 沿x 轴的分布曲线。
8．由公式m NI B 0μ=，计算出螺线管中的磁感应强度的理论值理B ，并与cm 50.14=x 处的实验值实B 比较，求出相对误差：
%100?-=
理
理
实B B B E
【数据处理】
表6-1 霍尔元件测磁场数据记录表格
S I ＝8.00 mA ， m I ＝0.800 A ， H K ＝2.25 T mA mV ? N=108.3×10/m
根据公式 U H )(4
1
4321U U U U +--=
可分别计算 U H0)(41
4321U U U U +--=
=1/4(0.97+0.90+0.60+0.66)=0.7825mv U H1)(41
4321U U U U +--==1/4(1.79+1.73+1.44+1.51=1.6175mv
U H2)(4
1
4321U U U U +--==1/4(2.04+1.98+1.69+1.96)=1.9175mv
………… U H28)(4
1
4321U U U U +--=
=1/4(1.18+1.13+0.89+0.95)=1.0375mv 根据公式 I
K V B H H = 可分别计算 T I
K V B H H 0435.08
25.27825.00
=?== T I K V B H H 0899.0825.26175
.11=?==
T I
K V B H H 1065.08
25.29175.12=?==
…………
T I
K V B H H 0576.08
25.20375.128
=?==
1.作B-X 曲线
2.B 的理论值为
B=μ0NI m =4π×10-7×108.3×102×0.8＝0.1088T 相对误差%100?-=
理
理
实B B B E ％09.0%1001088
.01088
.01089.0=?-=
【注意事项】
1．霍尔元件是易损元件，引线很细，使用时应小心调节装置以免碰断。 2．霍尔元件的工作电流不得超过额定值，否则会因过热而损坏。
3．螺线管的电流不宜长期接通，以至使螺线管过热，记录数据时应断开励磁电流的换向开关1S 。
【思考题】
1．若磁场B 不与霍尔元件薄片垂直，对测量结果有何影响？ 2．如何用实验方法判断霍尔片与磁场方向是否垂直？
3．怎样用霍尔元件测量交变磁场？图6-3的装置应做哪些改变？
实验8 霍尔效应法测量磁场A4
实验八 霍尔效应法测量磁场 【实验目的】 1．了解霍尔器件的工作特性。 2．掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3．用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4．考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1．霍尔器件测量磁场的原理 图1 霍尔效应原理 如图1所示，有－N 型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L ，宽为b ，厚为d ，其四个侧面各焊有一个电极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I ，则电子将沿负I 方向以速度运动，此电子将受到垂直方向磁场B 的洛仑兹力m e F ev B =?作用，造成电子在半导体薄片的1测积累过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场H E ，该电场对电子的作用力H H F eE =，与m e F ev B =?反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起稳定的电压H U ，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压H U ，1、2端输出的霍尔电压可由数显电压表测量并显示出来。 I
如果半导体中电流I 是稳定而均匀的，可以推导出H U 满足： H H H IB U R K IB d =? =?， 式中，H R 为霍耳系数，通常定义/H H K R d =，H K 称为灵敏度。 由H R 和H K 的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，H R 和H K 有唯一确定的值，在电流I 不变的情况下，与B 有一一对应关系。 2．误差分析及改进措施 由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B 、I 方向。如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6，并在5、6间连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2，将线路完全接通后，可以调节滑动触头2，使数字电压表所测 电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等势电势差，而且还可以测出不等势电势差的大小。本霍尔效应测磁仪的霍尔电压测量部分就采用了这种电路，使得整个实验过程变得较为容易操作，不过实验前要首先进行霍尔输出电压的调零，以消除霍尔器件的“不等位电势”。 在测量过程中，如果操作不当，使霍尔元件与螺线管磁场不垂直，或霍尔元件中电流与磁场不垂直，也会引入系统误差。 3．载流长直螺线管中的磁场 从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径为R 、总长度为L ，单位长度的匝数为n ，并取螺线管的轴线为x 轴，其中心点O 为坐标原点，则 （1）对于无限长螺线管L →∞或L R >>的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于： 00B NI μ= 图2
磁场的测定(霍尔效应法)汇总
霍尔效应及其应用实验 (FB510A型霍尔效应组合实验仪)（亥姆霍兹线圈、螺线管线圈） 实 验 讲 义 长春禹衡时代光电科技有限公司
实验一 霍尔效应及其应用 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，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。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，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、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，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的S H I ~V 和M H I ~V 曲线。 3．确定试样的导电类型。 【实验原理】 1．霍尔效应： 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H E 。如图1所示的半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，则在Y 方向即试样A A '- 电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图1（a ）所示的N 型试样，霍尔电场逆Y 方向，（b ）的P 型试样则沿Y 方向。即有 ) (P 0)Y (E )(N 0)Y (E H H 型型?>?< 显然，霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力H E e ?
霍尔效应法测量磁场
霍尔效应测磁场 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879 年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象， 故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属 的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人 们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发 展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电 流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。 在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。 【实验目的】 1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用 2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。 3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。 4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 【实验原理】 霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在 磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。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 负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电 场。如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与 之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称 为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材 料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。 由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线 箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B 侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。 与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力f E的作用。随着电荷积累的增加，f E增大，当两力大小相等（方向相反）时，f L=－f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场E H，相应的电势差称为霍尔电势V H。 设电子按均一速度v，向图示的X负方向运动，在磁场B作用下，所受洛仑兹力为：
霍尔效应法测量螺线管磁场
研胳wZprtf 霍尔效应法测量螺线管磁场实验报告 【实验目的】 1?了解霍尔器件的工作特性。 2?掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3?用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4.考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1?霍尔器件测量磁场的原理 图1霍尔效应原理 如图1所示，有—N型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L,宽为b,厚为d，其四个侧面各焊有一个电 极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I，则电子将沿负I方向以速 ur ir u 度运动，此电子将受到垂直方向磁场B的洛仑兹力F m ev e B作用，造成电子在半导体薄片的1测积累 urn 过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场E H，该电场对电子ur uuu uir n ir 的作用力F H eE H，与F m ev e B反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起 稳定的电压U H，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压U H , 1、2端输出的霍尔电压可由 数显电压表测量并显示出来。 如果半导体中电流I是稳定而均匀的，可以推导出 式中，R H为霍耳系数，通常定义K H R H /d , 由R H和K H的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，R H和K H有唯一确定的值，在电流I不变的情况下, U H R H U H满足： 世K H IB , d K H称为灵敏度。
研 島加吋 与B有一一对应关系。 2?误差分析及改进措施 由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种 方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B、丨方 向。如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6,并在5、6间 连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2, 将线路完全接通后，可以调节 滑动触头2，使数字电压表所测电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等 势电势差，而且还可以测出不等势电势差的大小。本霍尔效应测磁仪的霍尔电 压测量部分就采用了这种电路，使得整个实验过程变得较为容易操作，不过实 验前要首先进行霍尔输出电压的调零， 以消除霍尔器件的不等位电势”。 在测量过程中，如果操作不当，使霍尔元件与螺线管磁场不垂直，或霍尔元件中电流与磁场不垂直，也会引入系统误差3?载流长直螺线管中的磁场 从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是 一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径为R、总长度为L,单位长度的匝数为n,并取螺线管的轴线 为x轴，其中心点0为坐标原点，贝U (1)对于无限长螺线管L 或L R的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于： uu B o o NI 式中0――真空磁导率；N ――单位长度的线圈匝数；I ――线圈的励磁电流。 (2)对于半无限长螺线管的一端或有限长螺线管两端口的磁场为： uu 1 B! —oNI 2 即端口处磁感应强度为中部磁感应强度的一半，两者情况如图3所示。 图2 图3
实验8霍尔效应法测量磁场A4
实验八霍尔效应法测量磁场 【实验目的】 1?了解霍尔器件的工作特性。 2 ?掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3 ?用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4. 考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1 ?霍尔器件测量磁场的原理 图1霍尔效应原理 如图1所示，有—N 型半导体材料制成的霍尔传感器，长为 L ,宽为b ,厚为d ，其四个侧面各焊有一个电 极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿 3、4两个侧面通以电流I ，则电子将沿负I 方向以速 T -> 4 度运动，此电子将受到垂直方向磁场 B 的洛仑兹力F m =ev e B 作用，造成电子在半导体薄片的 1测积累 过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由 2侧指向1侧的电场E H ,该电场对电子 稳定的电压U H ，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压 U H , 1、2端输出的霍尔电压可由 数显电压表测量并显示出来。 如果半导体中电流I 是稳定而均匀的，可以推导出 U H 讥 式中，R H 为霍耳系数，通常定义 K H = R H /d , 与B 有一一对应关系。 n ----------------------------------------------- 7 XXX XXX b x X 仝 F m X X 3 4 XXX ； X H X H | X XXX XXX / U H 的作用力F H -ev e B 反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态, 1、2两侧面将建立起 由R H 和K H 的定义可知，对于一给定的霍耳传感器, R H 和K H 有唯一确定的值, 在电流I 不变的情况下, U H 满足: K H 称为灵敏度。
用霍尔效应测量螺线管磁场 物理实验报告
华南师范大学实验报告 学生姓名 学 号 专 业 化学 年级、班级 课程名称 物理实验 实验项目 用霍尔效应测量螺线管磁场 实验类型 □验证 □设计 □综合 实验时间 2012 年 3 月 07 实验指导老师 实验评分 一、 实验目的： 1．了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理。 2．学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。 二、 实验原理： 根据电磁学毕奥－萨伐尔定律，通电长直螺线管线上中心点的磁感应强度为: 2 2 M D L I N B +??μ= 中心 （1） 理论计算可得，长直螺线管轴线上两个端面上的磁感应强度为内腔中部磁 感应强度的1/2： 2 2M D L I N 21B 21B +??μ? ==中心端面 （2） 式中，μ为磁介质的磁导率，真空中的磁导率μ0=4π×10-7 (T ·m/A)，N 为螺线管的总匝数，I M 为螺线管的励磁电流，L 为螺线管的长度，D 为螺线管的平均直径。 三、 实验仪器： 1．FB510型霍尔效应实验仪 2．FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管） 四、 实验内容和步骤： 1. 把FB510型霍尔效应实验仪与FB510型霍尔效应组合实验仪（螺线管）正确连接。把励磁电流接到螺线 管I M 输入端。把测量探头调节到螺线管轴线中心，即刻度尺读数为13.0cm 处，调节恒流源2,使I s =4.00mA ，按下(V H /V s )（即测V H ），依次调节励磁电流为I M =0~±500mA ，每次改变±50mA, 依此测量相应的霍尔电压，并通过作图证明霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。 2. 放置测量探头于螺线管轴线中心，即1 3.0cm 刻度处，固定励磁电流±500mA ，调节霍尔工作电流为：I s =0~ ±4.00mA ，每次改变±0.50mA ，测量对应的霍尔电压V H ，通过作图证明霍尔电势差与霍尔电流成正比。 3. 调节励磁电流为500mA ，调节霍尔电流为 4.00mA ，测量螺线管轴线上刻度为X =0.0cm~13.0cm ，每次移动 1cm ，测各位置对应的霍尔电势差。(注意,根据仪器设计,这时候对应的二维尺水平移动刻度读数为：13.0cm 处为螺线管轴线中心，0.0cm 处为螺线管轴线的端面，找出霍尔电势差为螺线管中央一半的数值的刻度位置。与理论值比较，计算相对误差。按给出的霍尔灵敏度作磁场分布B ~X 图。) 五、 注意事项： 图1
霍尔元件测磁场实验报告
霍尔元件测磁场实验报告 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
用霍尔元件测磁场 前言： 霍耳效应是德国物理学家霍耳（ 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。 利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。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耳器件，会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。 教学目的： 1.了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。 2.掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。 3.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。 教学重难点： 1. 霍尔效应 2. 霍尔片载流子类型判定。 实验原理 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中， 其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电N通以直流电流I H 势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。
霍尔效应测磁场实验报告
v1.0可编辑可修改 (3) 实验报告 学生姓名： 学 号： 指导教师： 实验地点： 实验时间： 一、 实验室名称：霍尔效应实验室 二、 实验项目名称：霍尔效应法测磁场 三、 实验学时： 四、 实验原理： （一）霍耳效应现象 将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为 B 的磁场中，并让薄片平面与磁场 方向（如Y 方向）垂直。如在薄片的横向（ X 方向）加一电流强度为|H 的电流，那么在与 磁场方向和电流方向垂直的 Z 方向将产生一电动势 U H 。 如图1所示，这种现象称为霍耳效应， U H 称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压 U H 与 电流强度I H 和磁感应强度 B 成正比，与磁场方向薄片的厚度 d 反比，即 U H R-^^B （ 1 ） d 式中，比例系数R 称为霍耳系数，对同一材料 R 为一常数。因成品霍耳元件 （根据霍耳效应 制成的器件）的d 也是一常数，故 R/d 常用另一常数 K 来表示，有 U H KI H B 式中，K 称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位 电流I H 和霍耳电压U H ，就可根据式 U H KI H 电流作用下霍耳电压的大小。如果霍耳元件的灵敏度 K 知道（一般由实验室给出），再测出
算出磁感应强度Bo (5) v
(5) v （二）霍耳效应的解释 现研究一个长度为I 、宽度为b 、厚度为d 的N 型半导体制成的霍耳元件。当沿 X 方向 通以电流I H 后，载流子（对 N 型半导体是电子）e 将以平均速度v 沿与电流方向相反的方 向运动，在磁感应强度为 B 的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为 f B evB 方向沿Z 方向。在f B 的作用下，电荷将在元件沿Z 方向的两端面堆积形成电场 E H （见图2）， 它会对载流子产生一静电力 f E ，其大小为 f E eE H 方向与洛仑兹力 f B 相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当 f B 和f E 达到静态平衡后，有 f B f E ，即evB eE H eU H /b ，于是电荷堆积的两端面（Z 方向）的电势差为 U H vbB 通过的电流I H 可表示为 I H nevbd 式中n 是电子浓度，得 n ebd 将式（5）代人式（4）可得 (4) 图1霍耳效应示意图 图2霍耳效应解释
实验五用霍尔元件测量磁场
实验五用霍耳元件测量磁场 一、实验目的 1．了解霍耳效应的产生机理。 2．掌握用霍耳元件测量磁场的基本方法。 二、实验仪器 霍尔效应实验仪。 三、实验原理 1、什么叫做霍耳效应？ 若将通有电流的导体置于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流I H（沿x轴）的方 向，如图1 U H，这个现象称 为霍耳效应。 图1 霍耳效应原理 这一效应对金属来说并不显著，但对半导体非常显著。霍耳效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型，是研究半导体材料的重要手段。还可以用霍耳效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。用霍耳效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。（1）用什么原理来解释霍耳效应产生的机理？ 霍耳电势差是这样产生的：当电流I H通过霍耳元件（假设为P型）时，空穴有一定的漂移速度v，垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力 ) (B v F? =q B（1）式中q为电子电荷。洛沦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力F E=q E与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止，即 E B v q q= ?) (（2）这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。
如果是N 型样品，则横向电场与前者相反，所以N 型样品和P 型样品的霍耳电势差有不同的符号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。 （2）如何用霍耳效应侧磁场？ 设P 型样品的载流子浓度为p ，宽度为b ，厚度为d 。通过样品电流I H ＝pqvbd ，则空穴的速度v ＝I H ／pqvbd ，代入（2）式有 pqbd B I E H = ?=B v （3） 上式两边各乘以b ，便得到 d B I R pqd B I Eb U H H H H == = （4） pq R H 1= 称为霍耳系数。在应用中一般写成 U H ＝K H I H B . （5） 比例系数K H ＝R H ／d ＝1／pqd 称为霍耳元件灵敏度，单位为mV/(mA ·T)。一般要求K H 愈大愈好。K H 与载流子浓度p 成反比。半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍耳元件。K H 与片厚d 成反比，所以霍耳元件都做的很薄，一般只有0.2mm 厚。 由（5）式可以看出，知道了霍耳片的灵敏度K H ，只要分别测出霍耳电流I H 及霍耳电势差U H 就可算出磁场B 的大小。这就是霍耳效应测磁场的原理。 2、如何消除霍耳元件副效应的影响？ 在实际测量过程中，还会伴随一些热磁副效应，它使所测得的电压不只是U H ，还会附加另外一些电压，给测量带来误差。 这些热磁效应有埃廷斯豪森效应，是由于在霍耳片两端有温度差，从而产生温差电动势U E ，它与霍耳电流I H 、磁场B 方向有关；能斯特效应，是由于当热流通过霍耳片（如1，2端）在其两侧（3，4端）会有电动势U N 产生，只与磁场B 和热流有关；里吉-勒迪克效应，是当热流通过霍耳片时两侧会有温度差产生，从而又产生温差电动势U R ，它同样与磁场B 及热流有关。 除了这些热磁副效应外还有不等位电势差U 0，它是由于两侧（3，4端）的电极不在同一等势面上引起的，当霍耳电流通过1，2端时，即使不加磁场，3和4端也会有电势差U 0产生，其方向随电流I H 方向而改变。 因此，为了消除副效应的影响，在操作时我们要分别改变I H 的方向和B 的方向，记下四组电势差数据，作运算并取平均值： 由于U E 方向始终与U H 相同，所以换向法不能消除它，但一般U E <霍尔效应法测量螺线管磁场分布
霍尔效应法测量螺线管磁场分布 1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力性质时发现了一种电磁现象，此现象称为霍尔效应，半个多世纪以后，人们发现半导体也有霍尔效应，而且半导体霍尔效应比金属强得多。近30多年来，由高电子迁移率的半导体制成的霍尔传感器已广泛用于磁场测量和半导体材料的研究。用于制作霍尔传感器的材料有多种:单晶半导体材料有锗，硅；化合物半导体有锑化铟，砷化铟和砷化镓等。在科学技术发展中，磁的应用越来越被人们重视。目前霍尔传感器典型的应用有：磁感应强度测量仪(又称特斯拉计)，霍尔位置检测器，无接点开关，霍尔转速测定仪，100A-2000A 大电流测量仪，电功率测量仪等。在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980年德国·克利青教授在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是近年来凝聚态物理领域最重要发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行更深入研究，并取得了重要应用。例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测定光谱精细结构常数等。 通过本实验学会消除霍尔元件副效应的实验测量方法，用霍尔传感器测量通电螺线管激励电流与霍尔输出电压之间关系，证明霍尔电势差与螺线管磁感应强度成正比；了解和熟悉霍尔效应重要物理规律,证明霍尔电势差与霍尔电流成正比；用通电长直通电螺线管轴线上磁感应强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的灵敏度，熟悉霍尔传感器的特性和应用；用该霍尔传感器测量通电螺线管的磁感应强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置刻线的关系图，学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法. 实验原理 1．霍尔效应 霍尔元件的作用如图1所示.若电流I 流过厚度为d 的半导体薄片，且磁场B 垂直作用于该半导体,则电子流方向由于洛伦茨力作用而发生改变，该现象称为霍尔效应，在薄片两个横向面a 、b 之间与电流I ，磁场B 垂直方向产生的电势差称为霍尔电势差. 霍尔电势差是这样产生的：当电流I H 通过霍尔元件（假设为P 型）时，空穴有一定的漂移速度v ，垂直磁场对运动电荷产生一个洛仑兹力 )(B v q F B ?= （1） 式中q 为电子电荷，洛仑兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以偏转的载流 子将在边界积累起来，产生一个横向电场E ，直到电场对载流子的作用力F E ＝qE 与磁场作用的洛仑兹力相抵消为止，即 qE B v q =?)( （2） 这时电荷在样品中流动时不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。 如果是N 型样品，则横向电场与前者相反，所以N 型样品和P 型样品的霍尔电势差有不同的符号，据此可以判断霍尔元件的导电类型。 设P 型样品的载流子浓度为Р，宽度为ω，厚度为d ，通过样品电流I H ＝Рqv ωd ，则空穴的速度v= I H /Рq ωd 代入（2）式有 d pq B I B v E H ω= ?= （3） 上式两边各乘以ω，便得到 d B I R pqd B I E U H H H H == =ω （4） 其中pq R H 1 = 称为霍尔系数，在应用中一般写成
大学物理实验讲义实验 用霍尔效应法测量磁场
实验16用霍尔效应法测量磁场 在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范 围可从~10 15-3 10T （特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器件法等近十种。 一般地，霍尔效应法用于测量10~104 -T 的磁场。此法结构较简单，灵敏度高，探头体积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。但霍尔电压和内阻存在一定的温度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。 用半导体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显着的霍尔效应，可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型（N 型或P 型）、确定载流子（作定向运动的带电粒子）浓度和迁移率等参数。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，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、压力、转速等，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，将有更为广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。 【实验目的】 1. 了解霍尔效应产生的机理。 2. 掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。 3. 学习消除伴随霍尔效应的几种副效应对测量结果影响的方法。 4. 研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。 【仪器用具】 TH-H/S 型霍尔效应/螺线管磁场测试仪、TH-S 型螺线管磁场实验仪。 【实验原理】 1. 霍尔效应产生的机理 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应，所产生的电位差称为霍尔电压。特别是在半导体样品中，霍尔效应更加明显。 霍尔电压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（电子和空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的积累，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图1-1（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向通以电流S I ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受到洛仑兹力大小为： evB F g =（1-1） 则在Y 方向，在试样A 、A '电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场——霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型，对N 型半导体试样，霍尔电场逆Y 方向，P 型半导体试样，霍尔电场则沿Y 方向，即有： 当S I 沿X 轴正向、B 沿Z 轴正向、H E 逆Y 正方向的试样是N 型半导体。
霍尔元件测磁场与实验报告
用霍尔元件测磁场 前言： 霍耳效应是德国物理学家霍耳（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。 利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。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耳器件，会有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。 教学目的： 1.了解霍尔效应产生的机理，掌握测试霍尔器件的工作特性。 2.掌握用霍尔元件测量磁场的原理和方法。 3.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。 教学重难点： 1. 霍尔效应 2. 霍尔片载流子类型判定。 实验原理 如右图所示，把一长方形半导体薄片放入磁场中， 其平面与磁场垂直，薄片的四个侧面分别引出两对电极（M、N和P、S），径电极M、N通以直流电流I H，则在P、S极所在侧面产生电势差，这一现象称为霍尔效应。这电势差叫做霍尔电势差，这样的小薄片就是霍尔片。
假设霍尔片是由n 型半导体材料制成的，其载流子为电子，在电极M 、N 上通过的电流由M 极进入，N 极出来（如图），则片中载流子（电子）的运动方向与电流I S 的方向相反为v,运动的载流子在磁场B 中要受到洛仑兹力f B 的作用，f B =e v ×B ，电子在f B 的作用下，在由N →M 运动的过程中，同时要向S 极所在的侧面偏转（即向下方偏转），结果使下侧面积聚电子而带负电，相应的上侧面积（P 极所在侧面）带正电，在上下两侧面之间就形成电势差V H ，即霍尔电势差。薄片中电子在受到f B 作用的同时，要受到霍尔电压产生的霍尔电场E H 的作用。f H 的方向与f B 的方向正好相反，E H =V H /b , b 是上下侧面之间的距离即薄片的宽度，当f H +f B =0时，电子受力为零达到稳定状态，则有 –e E H +(–e v ×B)=0 E H = - v ×B 因 v 垂直B ，故 E H =v B （v 是载流子的平均速度） 霍尔电压为 V H = b E H = b v B 。 设薄片中电子浓度为n ，则 I S =nedb v , v =I S /nedb 。 V H = I S B/ned =K H I S B 式中比例系数K H = 1/ned ，称为霍尔元件的灵敏度。 将V H =K H I S B 改写得 B = V H / K H I S 如果我们知道了霍尔电流I H ，霍尔电压V H 的大小和霍尔元件的灵敏度K H ，我们就可以算出磁感应强度B 。 实际测量时所测得的电压不只是V H ，还包括其他因素带来的附加电压。根据其产生的原因及特点，测量时可用改变I S 和B 的方向的方法，抵消某些因素的影响。例如测量时首先任取某一方向的I S 和B 为正，当改变它们的方向时为负，保持I S 、B 的数值不变，取（I S+，B +）、（I S-、B +）、（I S+、B -）、（I S-，B -）四种条件进行测量，测量结果分别为： V 1= V H +V 0+V E +V N +V RL V 2=-V H -V 0-V E +V N +V RL V 3=-V H +V 0-V E -V N -V RL V 4=V H -V 0+V E -V N -V RL 从上述结果中消去V 0，V N 和V RL ，得到 V H = 4 1 （V 1-V 2-V 3+V 4）-V E
利用霍尔效应测磁场实验的误差分析解读
2012大学生物理实验研究论文 利用霍尔效应测磁场实验的误差分析 张晓春（02A11622） （东南大学机械工程学院，江苏南京， 211189） 摘要：通过对利用霍尔效应测磁场实验的原理、过程、及实验数据的处理进行分析，得出本实验误差的主要来源，并对减小误差提出切实可行的方法及注意事项，其中重点介绍利用对称测量法处理数据以减小误差的方法。关键词：霍尔效应误差分析对称测量法 Experimental Error Analysis of Hall Effect Measurements in Magnetic Field Zhang Xiao Chun（02A11622） （School of Mechanical Engineering of Southeast University，Nanjing，Jiangsu，211189） Abstract： Through analyzing the principle process and experimental data processing of using Hall effect to measure magnetic field, draw the main source of experimental error, and put forward practical methods and precautions to reduce the error, which focuses on Symmetrical measurement to process data to reduce experimental error. Key words: Hall Effect Experimental error analysis Symmetrical measurement 自1879年霍尔效应被发现以来，它在测量方向 得到了广泛的应用，其中测螺线管轴线上的磁场是十 分重要的一个方面。但是在测量中，总会产生各种各 样的副效应，这些副效应带来了一定的测量误差，有 些副效应的影响可与实测值在同一数量级，甚至更大。 因此在实验中如何消除这些副效应成为很重要的问题。 本文分析了霍尔效应测磁场的误差来源，并提出了减 小误差应采取的措施及一些注意事项。 作者简介：张晓春（1992-）,山东诸城人，本科在读 邮箱：zhangxiaochun12@https://www.360docs.net/doc/9b3041293.html, 1、霍尔效应测磁场的实验原理霍尔效应中霍尔电压UH与所加磁场和霍尔元件的工作电流I的关系为： UH=KHIB (1) 用已对KH定标的霍尔元件支撑探头，分别测出I和UH，即可得：
实验8-霍尔元件测磁场
实验8霍尔元件测磁场 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。金属材料的霍尔效应太弱而未得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到使用和发展，广泛用于非电量检测、电动控制、电磁测量和计算装置方面。 近年来霍尔效应实验不断有新的发现，在低温和强磁场条件下的量子霍尔效应是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并已取得了重要应用。 【实验目的】 （1）了解霍尔效应原理。 （2）学习利用霍尔效应测量霍尔元件有关参数。 （3）学习用“对称交换测量法”消除附加效应的影响。 （4）学习用霍尔元件测磁场的基本方法。 【实验仪器】 霍尔效应实验仪，霍尔效应测试仪 【原理】 1．霍尔效应 1879年，当时为美国普多金斯大学研究生院二年级学生的霍尔，在研究载流导体在磁场中受力性质时发现：当一电流垂 直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和 磁场的方向导体的两侧会产生一电位差，如图
4-8-1所示。将这种实验现象称做霍尔效应，所产生的电位差称霍尔电压，产生 霍尔效应的载流导体、半导体、离子晶体称霍尔元件。 霍尔电压的成因可用电子论解释：导体中若沿X 方向通以电流，电流密度为J ，则有沿负X 方向运动的电子，设速度为v ,此电子将受Z 方向的磁场B 的洛伦兹力B f 的作用，从而在导体A 侧积累了电子，这样就形成了沿负Y 方向的电场H E ，即形成了霍尔电压H U 。 2．测磁场原理 如果导体中电流I 是稳定而均匀的，则电流密度J 的大小为 I J Ld = 式中，L 为矩形导体的宽；d 为其厚度；Ld 为导体垂直于电流方向的截面积。 如果在导体所在的范围内，磁场B 也是均匀的，则霍尔电场也是均匀的，大小为 H H U E L = （4-8-1） 霍尔电场的建立使电子受到一电场力E f ,方向与洛伦兹力相反，并随着电荷积累的增加，霍尔电场的电场力也增大。当达到一定程度时，电场力E f 与洛伦兹力B f 大小相等，电荷积累达到动态平衡，形成稳定的霍尔电压，同时电流I 恢复到原来的稳定值，达到动态平衡时有 H evB eE = (4-8-2） 将式（4-8-1）代入得 H U vBL = （4-8-3） 在此式中，H U 、L 容易测，但电子运动速度v 难用简单的方法测量，而电流I 是
霍尔效应法测螺线管磁场-实验报告
实验数据处理 1.霍尔电势差U 与螺线管通电电流Im 的关系图（x=17.0cm 处）： 0 450 500 0 22.2 44.1 66.1 88.1 110.1 132 154.1 176 198 220 直线的斜率K'=0.4301；相关系数r=1 L=26.0±0.1cm,N=(3000±20)匝，平均直径D=3.5±0.1cm μ。=4π×10*-7H/m K N D L K '+= 。μ2 ^2^=30.01(V/T) U/mV Im/mA
2.通电螺线管内磁感应强度分布测定（Im=250mA）螺线内磁感应强度B与位置刻度X的关系 x/cm U1＇/mV U2＇/mV U＇/mV B/mT 1 9.6 -10.1 10.1 0.34 1.5 13.8 -14.6 14.2 0.47 2 20.5 -21. 3 20.9 0.7 2.5 30.9 -31.7 31.3 1.04 3 44.8 -45.5 45.15 1.5 3.5 60.8 -61.6 61.2 2.04 4 74 -74.9 74.4 5 2.48 4.5 83.3 -84.1 83.7 2.80 5 89.8 -90.7 90.25 3.01 5.5 93.4 -94.2 93.8 3.12 6 95.9 -96.5 96.2 3.21 6.5 9 7.7 -9 8.6 98.15 3.27 7 98.8 -98.6 98.7 3.29 7.5 100.8 -101.1 100.95 3.36 8 101.4 -102.3 101.85 3.39 10 105.2 -106 105.6 3.52 14 106.5 -107.1 106.8 3.55 16 107.3 -107.8 107.55 3.58 21 106.5 -106.8 106.65 3.55 24 104.8 -105.1 104.95 3.5 25 102.3 -102.6 102.45 3.41 25.5 100.5 -100.9 100.7 3.36 26 98.7 -99 98.85 3.29 26.5 96.6 -97 96.8 3.23 27 93.9 -94.2 94.05 3.13 27.5 89.2 -89.7 89.45 2.98 28 82.3 -82.9 82.6 2.75 28.5 70.9 -71.5 71.2 2.37 29 55.8 -56.3 56.05 1.87 29.5 39.8 -40.5 40.15 1.34 30 25.9 -26.7 26.3 0.88
霍尔效应法测量螺线管磁场
霍尔效应法测量螺线管磁场实验报告 【实验目的】 1．了解霍尔器件的工作特性。 2．掌握霍尔器件测量磁场的工作原理。 3．用霍尔器件测量长直螺线管的磁场分布。 4．考查一对共轴线圈的磁耦合度。 【实验仪器】 长直螺线管、亥姆霍兹线圈、霍尔效应测磁仪、霍尔传感器等。 【实验原理】 1．霍尔器件测量磁场的原理 图1 霍尔效应原理 如图1所示，有－N 型半导体材料制成的霍尔传感器，长为L ，宽为b ，厚为d ，其四个侧面各焊有一个电极1、2、3、4。将其放在如图所示的垂直磁场中，沿3、4两个侧面通以电流I ，则电子将沿负I 方向以速 度运动，此电子将受到垂直方向磁场B 的洛仑兹力m e F ev B =? 作用，造成电子在半导体薄片的1测积累过量的负电荷，2侧积累过量的正电荷。因此在薄片中产生了由2侧指向1侧的电场H E ，该电场对电子的作用力H H F eE = ，与m e F ev B =? 反向，当两种力相平衡时，便出现稳定状态，1、2两侧面将建立起 稳定的电压H U ，此种效应为霍尔效应，由此而产生的电压叫霍尔电压H U ，1、2端输出的霍尔电压可由数显电压表测量并显示出来。 如果半导体中电流I 是稳定而均匀的，可以推导出H U 满足： H H H IB U R K IB d =? =?， 式中，H R 为霍耳系数，通常定义/H H K R d =，H K 称为灵敏度。 由H R 和H K 的定义可知，对于一给定的霍耳传感器，H R 和H K 有唯一确定的值，在电流I 不变的情况下，
与B 有一一对应关系。 2．误差分析及改进措施 由于系统误差中影响最大的是不等势电势差，下面介绍一种 方法可直接消除不等势电势差的影响，不用多次改变B 、I 方向。如图2所示，将图2中电极2引线处焊上两个电极引线5、6，并在5、6间连接一可变电阻，其滑动端作为另一引出线2， 将线路完全接通后，可以调节滑动触头2，使数字电压表所测 电压为零，这样就消除了1、2两引线间的不等势电势差，而 且还可以测出不等势电势差的大小。本霍尔效应测磁仪的霍 尔电压测量部分就采用了这种电路，使得整个实验过程变得 较为容易操作，不过实验前要首先进行霍尔输出电压的调零， 以消除霍尔器件的“不等位电势”。 在测量过程中，如果操作不当，使霍尔元件与螺线管磁场不垂直，或霍尔元件中电流与磁场不垂直，也会引入系统误差。 3．载流长直螺线管中的磁场 从电磁学中我们知道，螺线管是绕在圆柱面上的螺旋型线圈。对于密绕的螺线管来说，可以近似地看成是一系列园线圈并排起来组成的。如果其半径为R 、总长度为L ，单位长度的匝数为n ，并取螺线管的轴线为x 轴，其中心点O 为坐标原点，则 （1）对于无限长螺线管L →∞或L R >>的有限长螺线管，其轴线上的磁场是一个均匀磁场，且等于： 00B NI μ= 式中0μ——真空磁导率；N ——单位长度的线圈匝数；I ——线圈的励磁电流。 （2）对于半无限长螺线管的一端或有限长螺线管两端口的磁场为： 101 2 B NI μ= 即端口处磁感应强度为中部磁感应强度的一半，两者情况如图3所示。 图 2