霍尔效应及两种常见的电磁仪器
霍尔效应实验报告 (2)
霍尔效应的研究及利用霍尔效应测磁场实验报告指导老师：姓名：学号：实验日期：一、实验目的1、理解霍尔效应的原理，研究霍尔效应的应用；2、掌握DH4501N型三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪的用法;3、利用霍尔效应法测量磁场大小，并且研究亥姆霍兹线圈的磁场分布规律；二、实验仪器DH4501N三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪（仪器由信号源和测试架两大部分组成）A.仪器面板为三大部分，见下图(1) 。
（1）实验仪面板图1、励磁电流I M输出：前面板右侧，三位半数显电流表，显示输出电流值I M（A），直流恒流输出可调，接到测试架的励磁线圈，提供实验用的励磁电流。
2、霍尔片工作电流I S输出：前面板左侧，三位半数显电流表，显示输出电流值I S（mA），直流恒流输出可调，用于提供霍尔片的工作电流。
以上两组直流恒源只能在规定的负载范围内恒流，与之配套的“测试架”上的负载符合要求。
若要作它用时需注意。
提醒：只有在接通负载时，恒流源才有电流输出，数显表上才有相应显示。
3、V H、Vσ测量输入：前面板中部，三位半数显表显示输入值（mV），用于测量霍尔片的霍尔电压V H及霍尔片长度L方向的电压降Vσ。
使用前将两输入端接线柱短路，用调零旋钮调零。
提醒：I S霍尔片工作电流输出端与V H、Vσ测量输入端，连接测试架时，与测试架上对应的接线端子一一对应连接（红接线柱与红接线柱相连，黑接线柱与黑接线柱相连）。
励磁电流I M输出端连接到测试架线圈时，可以选择接单个线圈与双个线圈。
接双个线圈时，将两线圈串联，即一个线圈的黑接线柱与另一线圈的红接线柱相连。
另外两端子接至实验仪的I M端。
4、二个换向开关分别对励磁电流I M，工作电流I S进行正反向换向控制。
5、一个转换开关对霍尔片的霍尔电压V H与霍尔片长度L方向的电压降Vσ测量进行转换控制。
B. DH4501N三维亥姆霍兹线圈磁场测试架图（2）三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪测试架本测试架的特点是三维可靠调节，见图（2）。
带电粒子电磁场中运动常见几种仪器
带电粒子在电磁场中运动
例2:如图所示，有a、b、c、d四个离子，它们带 等量同种电荷q,质量关系：ma=mb＜mc=md， 速度关系:υa<υb=υc<υd,进入磁感应强度为B1电场 强度为E的速度选择器后，有两个离子从速度选 择器中射出，进入B2磁场，由此可判定 A 1 A2 A 3 A4 A3 轨迹分别对应什么离子？ A4 B1 A1 A2
4 Bd 4B
电磁流量计
磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强 度B的仪器。其原理可解为：如图-7所示， 一块导体接上a、b、c、d四个电极，将 导体放在匀强磁场之中，a、b间通以电 流I，c、d间就会出现电势差，只要测出 c、d间的电势差U，就可测得B。
霍尔效应（磁强计）
①导体中通过电流时，在运动的电荷 为电子，带负电； ②当电子所受电场力与洛仑兹力相等 时，导体上、下侧电势差稳定。
B2
带电粒子在电磁场中运动（全国高考）
例4:如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于
它的磁感应强度为B 的均匀磁场中，当电流通过导体板 时，在导体的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差， 这种现象称为霍尔效应。 实验表明：当磁场不太强时， IB 电势差U，电流I和B的关系为： ,式中的比例系 U K d 数K称为霍尔系数。 设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向 速率为v,电荷量为-e, 问： (1) A __ A (2) F洛=？ (3) UA′A= U时，F电=？ (4)当静电力和洛伦兹力平衡时 证明霍尔系数满足： 1 K ne
下发生偏转而聚集到a、b板上，产生电势差。设a、b平 行金属板的长度为L，正对面积为S，相距d，等离子气 体的电阻率为ρ，喷入气体速度为v，板间磁场的磁感应 强度为B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过a、b 板间时，求： (1)两板间电势差U？ (2)通过R的电流I？ L a d b S
霍尔效应实验报告
霍尔效应实验报告大学本(专)科实验报告课程名称：姓名：学院：系：专业：年级：学号：指导教师：成绩：年月日（实验报告目录）实验名称一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、建议霍尔效应实验一．实验目的和要求：1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.2、测绘霍尔元件的sHI V-，MHI V-曲线了解霍尔电势差HV 与霍尔元件控制（工作）电流sI 、励磁电流MI 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、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。
5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
二．实验原理：1、霍尔效应 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，从本质上讲，霍尔效应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。
如右图（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sI （称为控制电流或工作电流），假设载流子为电子（N 型半导体材料），它沿着与电流sI 相反的X 负向运动。
由于洛伦兹力Lf 的作用，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Ef 的作用。
随着电荷积累量的增加，Ef 增大，当两力大小相等（方向相反）时，L f =-Ef ，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H E ，相应的电势差称为霍尔电压HV 。
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，所受洛伦兹力为Lf =-e V B式中e 为电子电量，V 为电子漂移平均速度，B 为磁感应强度。
霍尔效应
【实验题目】霍尔效应【实验目的】1.掌握霍尔效应的原理，霍尔系数和电导率的测量方法2.了解霍尔器件的应用并进一步理解半导体的导电机制。
【实验仪器】样品，磁场部分（直流恒压源），铜-康铜热电偶，数字式电压表测温仪，数字式测量仪表【实验原理】1.半导体内的载流子根据半导体导电理论，半导体内载流子的产生有两种不同的机构：本证激发和杂质电离（1）本征激发半导体材料内共价键上的电子有可能受到热激发后跃迁到导带上，在原共价键上留下一个电子空位——空穴，这个空穴很容易受到邻键上的电子跳过来填补而转移到邻键上。
因此半导体内存在参与导电的两种载流子：电子和空穴。
这种不受外来杂质的影响由半导体本身靠热激发产生电子-空穴的过程，称为本征激发。
（2）杂质电离在纯净的第IV族元素半导体材料中，掺入微量III或V族元素杂质，称为半导体掺杂。
掺杂后的半导体在温室下的导电性能主要由浅杂质决定。
如果硅材料中掺入微量III族元素（B，Al等），这些第III族原子在晶体中取代部分硅原子位置，与周围硅原子组成共价键时，从邻近硅原子价键上夺取一个电子成为负离子，而在邻近失去一个点的硅原子价键上产生一个空穴，这样满带中的电子激发到禁带中的杂质能级上，使硼原子电离成硼离子，而在满带中留下空穴参与导电，这种过程称为在职电离。
产生一个空穴所需的能量称为杂质电离能。
这样的杂质叫受主杂质，由受主杂质电离而提供空穴导电为主的半导体材料称为p型半导体。
当温度较高时，浅受主杂质几乎完全电离，这时价带中的空穴浓度接近受主杂质浓度。
同理，在IV族元素半导体（硅，锗等）中，掺入微量的V族元素，如磷砷等，那么杂质原子与硅原子形成共价键时，多余的一个价电子只受到磷例子的微弱束缚，在温室下这个点子可以脱离束缚使磷原子成为正离子，并向半导体提供一个自由电子。
通常把这种向半导体提供一个自由电子而本身成为正离子的杂质称为施主杂质，以施主杂质电离提供电子导电为主的半导体材料叫做n型半导体。
霍尔效应实验原理
霍尔效应实验原理霍尔效应是指当导电材料被垂直放置于磁场中时，通过该材料的电流产生的横向电场。
这种现象是由美国科学家爱德华·霍尔于1879年首次发现和描述的。
霍尔效应不仅具有重要的理论意义，而且在现代电子技术中应用广泛。
本文将详细介绍霍尔效应实验的原理。
一、实验材料和装置为了进行霍尔效应实验，我们需要准备以下材料和装置：1.霍尔片：它是用于测量电流和磁场之间关系的关键元件。
通常，霍尔片由半导体材料制成，如硅(Si)或镓(Ga)材料。
2.稳定电流源：用于提供一个稳定的电流，将其通过霍尔片。
3.磁场装置：为了产生磁场，可以使用永久磁铁或电磁铁。
4.电压测量仪器：用于测量通过霍尔片的横向电压。
二、实验步骤根据霍尔效应实验原理，我们可以按照以下步骤进行实验：1.将霍尔片固定在一个平面上，以确保其垂直于磁场。
2.将稳定电流源的正极连接到霍尔片的一侧，负极连接到另一侧。
3.调整电流源的电流，通常在毫安级别，以确保电流稳定。
4.打开磁场装置并将其靠近霍尔片，使其产生一个垂直于霍尔片的磁场。
5.使用电压测量仪器测量通过霍尔片的横向电压。
6.重复上述步骤，记录不同电流和磁场条件下的横向电压。
三、实验原理霍尔效应实验的原理基于洛伦兹力和霍尔片中的电子运动。
当电流通过霍尔片时，由于洛伦兹力的作用，电子将受到一个向上的力。
同时，由于霍尔片两侧存在一个电压差（横向电压），电子在霍尔片中会产生一个横向速度。
在磁场作用下，电子被弯曲为一条螺旋线，并偏移到霍尔片的一侧。
由于电子的滞留时间很短，大量电子将聚集在霍尔片的一侧，形成一个电荷分布。
这个电荷堆积会产生电场，这个电场与电荷数量成正比，并与电流方向垂直。
通过使用电压测量仪器测量霍尔片的横向电压，我们可以得到电流和磁场之间的关系。
实验结果通常以霍尔系数（Hall coefficient）表示，其定义为霍尔电压和磁场以及电流的比值。
四、实验应用霍尔效应实验不仅在物理实验中具有重要意义，还广泛应用于现代电子技术领域。
回旋加速器、磁流体发电机、霍尔效应、电磁流量计
eU h I evB , 则U H Bdv Bd d neS
U H A B I
电解质中运动的 Na离子和Cl 离子受磁场力作用 均偏向b侧, 使b 侧离子浓度大于a 侧的离子浓度, 则 NaCl 水溶液中各处电势都相等.
五、质谱仪
1、构造： 粒子源 照相底片 U 加速电场
三、电磁流量计
1、用途：测量可导电流体（如污水）在管中的流量
（单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。 2、模型：横截面为长方形的一段管道，中空部分的长、宽、高 分别为图中的 a、b、c，两端与输送液体的管道相连 （图中虚线），上下两面是金属材料，前后两面是绝 缘材料。
b
c a
3、工作原理：
将流量计放在匀强磁场 B中,磁场方向垂直于前后两 面。当导电液体（正、负离子）流经该管道时，导体上下 表面带电，最终会达到稳定状态（此时上、下表面间的电 压即为电源的电动势）。 此后的导体流体将在管中做匀速运动，流过管内横截 面的流体的体积保持稳定。这时，就可测出：导电液体的 流量Q （单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。 B Q 的计算公式： Q = vS = v bc a c b
v0
1
v3
A’
A
A
（1）粒子每次进入狭缝都被电场加速： 交变电场的变化周期 = 粒子做圆周运动的周期。
（2）粒子的最大速度和最大动能：
2 m T电 场 Bq
粒子的最大半径rm = D形盒的半径：R
m vm R Bq
2 2
qBR vm m
2
A
’
v v v0
4
v3
A’
A
E最大
q B R 2m
霍尔效应实验报告
大学本(专)科实验报告课程名称：姓名：学院：系：专业：年级：学号：指导教师：成绩：年月日（实验报告目录）实验名称一、实验目的和要求二、实验原理三、主要实验仪器四、实验内容及实验数据记录五、实验数据处理与分析六、质疑、建议霍尔效应实验一．实验目的和要求：1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数.2、测绘霍尔元件的，曲线了解霍尔电势差与霍尔元件控制（工s H I V -M H I V -H V 作）电流、励磁电流之间的关系。
s I M I 3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。
4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。
5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
二．实验原理：1、霍尔效应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，从本质上讲，霍尔效应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。
如右图（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（称为控制电s I 流或工作电流），假设载流子为电子（N 型半导体材料），它沿着与电流相反的X 负向运动。
s I 由于洛伦兹力的作用，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，L f 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的作用。
随着电荷积累量的增加，增大，当E f E f 两力大小相等（方向相反）时，=-，则电子积累便达到动态平衡。
这时在A 、B 两端L f E f 面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 E H V 设电子按均一速度向图示的X 负方向运动，在磁场B 作用下，所受洛伦兹力为V =-e BL f V 式中e 为电子电量，为电子漂移平均速度，B 为磁感应强度。
人教版高中物理选修3-1课件：第三章课题研究霍尔效应及两种常见的电磁仪器(共18张PPT)
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磁流体发电机
磁流体发电机 的上极板
V
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等离子体束射入磁场
磁流体发电机 的下极板
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分解动作
v
再先用进进下直 以入入向至后磁磁上q保场场下E此解持区区方=时得动的q的向vqv态离离偏B＝U时平子子转/Ud结衡沿在 形/=（束原洛成qBv，来伦附dB的）,兹加方力电向作场流过
ff
负电荷向电流反方 向移动，故受向下 的洛伦兹力
f
长方体导体的 下表面
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微观解释
v
v
v
上、下表面就出现
横向电势差
v
v
v
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磁流体发电机
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等离子体束射入磁场
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连贯动作
v
练习：电磁流量计（2001年理综全国卷）
• 24．电磁流量计广泛应用于测量可导
电流体（如污水）在管中的流量（在 单位时间内通过管内横截面的流体的 体积）。为了简化，假设流量计是如 图所示的横截面为长方形的一段管道， 其中空部分的长、宽、高分别为图中 的a 、b 、c 。
• 流量计的两端与输送流体的管道相连
长方体导体的 上表面
通以自 左向右 的电流
I
v f v
v f v
v f v f f
f
正电荷不移 动，不受洛 伦兹力
负电荷向电流反方 向移动，故受向下 的洛伦兹力
长方体导体的 下表面
微观解释
v
v
v
上、下表面就出现 横向电势差
v v
v
上表面就冗余正电荷 这就是对金属导体的霍尔效应的微观解释 下表面积聚负电荷
霍尔效应 及两种常见 的电磁仪器
甘肃省天水一中 王 植
d
B
I
引子
h
如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放 在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中， 当电流I通过导体板时，在导体板的上侧面 A和下侧面D间会产生电势差U，这种现象称 为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时， U、I和B间的关系为U＝kBI/d 式中k称为霍尔系数
设电流I是由电子的定向流动形成的， 电子的电量为e，定向移动平均速度 为v。回答下列问题：
• 1、达到稳定状态时，导体板上侧面A的电
势（
“等于”）
）下侧面D的电势（填“高于”“低于”或
• 2、电子所受的洛伦兹力的大小为（ ） • 3、当导体板上下两侧的电压为U时，电子
所受静电力的大小为（ ） • 4、用n表示导体板的单位体积内的电子数 ， 求霍尔系数K
内容提要
1、霍尔效应 2 、磁流体发电机 3 、测速仪（电磁流量计）
霍尔效应的概念
所谓霍尔效应，是指磁场作用 于载流金属导体、半导体中的 载流子时，产生横向电势差的 物理现象。金属的霍尔效应是 1879年被美国物理学家霍尔发 现的。
横向：与I方向和B的方向都垂直的方向
I
B
U
微观解释
加上垂直于长方体导体 的前后表面、由后表面 指向前表面的匀强磁场
再 见
接（图中虚线）。图中流量计的上下 两面是金属材料，前后两面是绝缘材 料。现于流量计所在处加磁感强度为B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两 面。当导电流体稳定地流经流量计时， 在管外将流量计上、下两表面分别与 一串接了电阻R的电流表的两端连接， I表示测得的电流值。已知流体的电阻 率为ρ ，不计电流表的内阻，则可求 得流量为
载流电解质溶液不产生霍尔效应
I
磁流体发电机
磁流体发电机 的上极板
V
等离子体束射入磁场
磁流体发电机 的下极板
磁流体发电机
等离子体束射入磁场
测速仪原理
刻度为流速的 “伏特表”
v电解质溶液流过d源自若加上图示方向磁场，则电解质溶 液流速不同使伏特表产生不同示数
分解动作
v
直至qE=qvB 时结束， 先进入磁场区的离子在洛伦兹力作 此时qU/d=qvB, 再进入磁场区的离子沿原来的方向流过 用下向上下方向偏转形成附加电场 以后保持动态平衡 解得v＝U/（Bd）