霍尔效应及螺线管磁场的测定
实验十二_霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布
实验十二_霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布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，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。
随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。
通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。
若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。
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，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz ）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、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，将有更广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。
一、实验目的1．掌握测试霍尔元件的工作特性。
2．学习用霍尔效应法测量磁场的原理和方法。
3．学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
二、实验原理1．霍尔效应法测量磁场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的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。
对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力B v e F g = （1）其中e 为载流子（电子）电量， 为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。
无论载流子是正电荷还是负电荷，F g 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y 方向即试样A 、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A 、A´两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场E —霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、A´称为霍尔电极。
用霍尔元件测螺线管磁场实验报告 PDF
用霍尔元件测螺线管磁场实验报告 PDF本次实验的主要目的是利用霍尔元件测量螺线管所产生的磁场，研究其特性并探索影响磁场强度的因素。
实验装置：1. 螺线管：一种通电后可以产生磁场的装置，包括线圈和磁芯。
2. 霍尔元件：一种基于霍尔效应原理的元件，通过测量磁场的垂直分量而得到磁场强度。
3. 直流电源：提供螺线管所需要的电流。
4. 多用表：测量霍尔元件输出的电压。
5. 电位器：用于调整霍尔元件的工作点。
实验步骤：1. 将螺线管连接至电源，设定电流大小，使其产生磁场。
2. 按照实验装置连接图将霍尔元件连接至多用表。
4. 移动霍尔元件位置，测量不同位置下的磁场强度并记录数据。
5. 改变螺线管的电流大小，重复步骤4，记录不同电流下的磁场强度数据。
实验结果及讨论：在实验过程中，我们通过测量霍尔元件在不同位置下的电压输出，得到了螺线管产生的磁场强度数据，如表1所示。
|位置 x（cm）|电流 I（A）|霍尔元件输出电压 V（mV）|磁场强度 B（T）||:- - - - :-|:- - - - :-|:- - - - :-|:- - - - :-||1 |0.5 |25.8 |0.64 ||2 |0.5 |19.2 |0.48 ||3 |0.5 |12.6 |0.315 ||4 |0.5 |6.0 |0.15 ||5 |0.5 |0.6 |0.015 ||1 |1 |51.6 |1.28 ||2 |1 |38.4 |0.96 ||3 |1 |25.2 |0.63 ||4 |1 |12.0 |0.3 ||5 |1 |1.2 |0.03 ||1 |1.5 |77.4 |1.92 ||2 |1.5 |57.6 |1.44 ||3 |1.5 |37.8 |0.945 ||4 |1.5 |18.0 |0.45 ||5 |1.5 |1.8 |0.045 |表1：不同位置、不同电流下的磁场强度及霍尔元件输出电压数据由表1可知，在同一电流下，随着霍尔元件离螺线管距离的增加，磁场强度不断降低。
霍尔效应测量螺线管磁场实验报告总结
霍尔效应测量螺线管磁场实验报告总结
本次实验旨在通过霍尔效应测量螺线管磁场的强度，并探究霍尔效应的原理和应用。
实验过程中，我们使用了霍尔元件、电源、万用表等仪器，通过调节电源电压和螺线管的电流，测量了不同位置的霍尔电压，并计算出了螺线管磁场的强度。
实验中，我们首先了解了霍尔效应的基本原理。
霍尔效应是指在导体中，当有磁场作用时，电子在导体中运动时会受到洛伦兹力的作用，从而在导体的一侧产生电势差，这种现象就是霍尔效应。
霍尔效应的应用非常广泛，例如在电子学中，可以用霍尔元件来测量磁场的强度；在材料科学中，可以通过霍尔效应来研究材料的电学性质等。
接着，我们进行了实验操作。
首先，我们将霍尔元件固定在一块绝缘板上，并将电源和万用表连接到霍尔元件上。
然后，我们调节电源电压和螺线管的电流，测量了不同位置的霍尔电压，并记录下来。
在实验过程中，我们发现霍尔电压与磁场的强度成正比，与电流和电压无关。
因此，我们可以通过测量霍尔电压来计算出磁场的强度。
我们对实验结果进行了分析。
通过计算，我们得出了螺线管磁场的强度，并发现其与理论值相符合。
这说明我们的实验操作正确，结果可靠。
同时，我们还探究了霍尔效应的应用，发现它在电子学、材料科学等领域都有着重要的应用价值。
本次实验通过霍尔效应测量螺线管磁场的强度，探究了霍尔效应的原理和应用。
通过实验操作和结果分析，我们深入了解了霍尔效应的基本原理和应用价值，对于今后的学习和研究具有重要的意义。
螺线管磁场测定实验
磁力线是平行于轴线的直线系，渐近两端口时，这些直线变为从两端口离散的曲线，说明其 内部的磁场在很大一个范围内是近似均匀的， 仅在靠近两端口处磁感应强度才显著下降， 呈 现明显的不均匀性。 根据上面理论计算， 长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强 度的 1/2。 四三、实验内容 1．霍尔元件输出特性测量 A． 仔细阅读本实验仪使用说明书后， 按图 5-4 连接 THQDX-1 电磁学实验装置上 10mA 恒流源、直流毫伏表、1A 恒流源和实验仪之间相对应的 Is、VH 和 IM 各组连线，Is 及 IM 换 向开关投向上方， 表明 Is 及 IM 均为正值 （即 Is 沿 X 方向， B 沿 Z 方向） ， 反之为负值。 VH、 Vσ切换开关投向上方测 VH，投向下方测 Vσ。经教师检查后方可开启测试仪的电源。 注意： 图 5-3 中虚线所示的部分线路即样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已 由制造厂家连接好。 必须强调指出：决不允许将 THQDX-1 电磁学实验装置上的“1A 恒流源”误接到实验仪的 “Is 输入”或“VH 输出” 处，否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏！
( 1 2 1 L ) ( D )2 2 2
式中 D 为长直螺线管直径，L 为螺线管长度。 磁感应强度为最大，且等于
1
BO = μ0NI 2 M(
1 L 2 1 1+ ( L )2 ( D )2 2 2
1 1) ( L )2 ( D )2 2 2
1 L 2
=μ0NIM
（11） L D2 由于本实验仪所用的长直螺线管满足 L>>D，则近似认为 BO =μ0 NIM
实验四
螺线管磁场测定实验
霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布 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， 这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于 1879 年发现的， 后被称为霍尔效应。 随着半导体物理学的迅速发展， 霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法 之一。 通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、 载流子浓度、 载流子迁移率等主要参数。 若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系， 还可以求出半导 体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。 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，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响 应宽（高达 10GHz） 、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量、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 更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 一、实验目的 1．掌握测试霍尔元件的工作特性。 2．学习用霍尔效应法测量磁场的原理和方法。 3．学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。 二、实验设备 1．QX-2 螺线管磁场实验仪 2．THQDX-1 电磁学实验装置上的 1A 恒流源、10mA 恒流源、直流毫伏表 三、实验原理 1．霍尔效应法测量磁场原理 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 电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图 5-1（a）所示的 N 型半导体 试样，若在 X 方向的电极 D、E 上通以电流 Is，在 Z 方向加磁场 B，试样中载流子（电子） 将受洛仑兹力
霍尔法测量通电螺线管内的磁场分布实验PPT
KH IS
K
特性曲线
准备工作：霍尔传感器调节至标准工作状态，并定标
实验原理：霍尔效应测磁场
长直通电螺线管轴线上B的分布 毕奥-萨伐尔定律
B
1 2
0
N 2L
I (cos2
cos1)
螺线管 无限长 有限长
中
N 2L
I
B中心
1 2
0
2
NI L2 +R2
B两端
1 2
B中心
B两端＞
1 2
无接点开关
磁流体发电
确定电阻的自然 测定光谱精细结
基准
构常数
目录
1 实验背景 2 实验原理 3 实验仪器 4 实验步骤
5 实验拓展
磁场的测量
磁场
霍尔效应
特斯拉计-高斯计 霍尔效应
霍尔探头
霍尔效应
什么是霍尔效应？
Edwin Hall 美国
半导体
• 霍尔(Hall)1879年:在长方形导体薄膜上通电流，沿着电 流的垂直方向上施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直
霍尔效应测磁场长直通电螺线管轴线上b的分布coscos螺线管无限长有限长中心两端两端中心两端中心中心实验仪器待测磁场长直通电螺线管位置测量测量工具霍尔传感器电路工作电路测量电路导线开关实验仪器实验步骤测量通电螺线管内轴线上的磁感应强度bxcmmvbmt1002003000000mv实验步骤思考
霍尔法测量通电螺线管内 的磁场分布
的方向上产生电势差。
• 半个世纪以后人们发现半导体也有霍尔效应，并且比金属 材料还要强
霍尔效应
霍尔效应如何测磁场？
UH KH ISB
UH
B
KH：霍尔元件的灵敏度(~d).
霍尔元件测定螺线管轴向磁场分布.
VH 值偏大(当 VH 与 VO 同号)或偏小(当 VH 与 VO 异号)。当然，还有其他的副效应也会给测量带来 误差。但是，在非强磁场和非大电流条件下，所有这些副效应给测量带来的误差都可以用电流
IS 和磁场 B 换向的对称测量法予以消除。具体的说，就是保持电流 IS 和磁场 B(即 IM)的大小不变， 并设定电流 IS 和磁场 B 的方向后，依次测量由下列四组不同方向的 IS 和 B 组合的 A、A′两点之 间电压 V1、V2、V3 和 V4 ，即
图 6.24 霍尔效应测试仪电路图
出 VH—IM 曲线。 2.测绘螺线管轴线上磁感应强度的分布 取 IS=10.00mA，XM=0.800A，测试过程中保持不变。 （1）调节旋纽 X1、X2，使测距尺读数 X1=0.00cm, X2=0.00cm。先保持 X2=0.00cm，调节
X1，使 X1 分别停留在 0.00cm、0.50cm、1.00cm、1.50cm、2.00cm、5.00cm、8.00cm、11.00cm、 14.00cm 处读数，再保持 X1=14.00cm，调节 X2 旋钮，使 X2 分别停留在 3.00cm、6.00cm、9.00cm、 12.00cm、12.50cm、13.00cm、13.50cm、14.00cm 处读数，按对称测量法测出各相应位置的 V1、 V2、V3 和 V4 值,并计算相应的 VH 和 B 值，记入相应的数据表格中。(探头离中心位置 X=14.00－ X1－X2。)
设薄片内载流子浓度为 n ，则
IS=nevbd
（2）
由式(1) 、(2)可得：
VH
=
EHb =
1 ne
IsB d
=
RH
IsB d
（3）
其中，VH 为 AA′两电极间电压，称为霍尔电压，
霍尔效应
（2）以位置坐标X为横坐标，磁感应强度B为纵 坐标在方格纸上画出B-X的图线 其中： U B= H KH IH
x(cm)
0.0
U H 1 (mA)
I S +, I M +
U H 2 (mA)
U H 3 (mA)
I S +,U H (mA) I S , I M +
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 v 成附加的横向电场，即霍尔电场 EH 。
霍尔电场 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 与洛仑兹力 相等，样品两侧电荷的积累就达 到动态平衡，故有
实验内容
2 调节励磁电流为500mA，调节霍尔电流为 5.00mA,测量螺线管轴线上刻度为 X = 0.0 ~ 13.0cm ，且移动步长为1cm各位置的霍尔电势。
数据记录
1 验证霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。霍尔工作电流 I S = ±5.00mA 验证霍尔电势差与螺线管内磁感应强度成正比。
（1） （a） （b）
图1 霍尔效应实验原理示意图 （a）载流子为电子（N型）；（b）载流子为空穴（P型）
设试样的宽为b，厚度为d， 载流子浓度为n ，则 （2）
由（1）、（2）两式可得： （3）
1
比例系数 R = ne 称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。 只要测出 （伏）以及知道 （安）、（高斯）和 （厘米）可按下式计算 （厘米3／库仑）：
I M+ mA) U H(2,(ImA) S 1 (mA) M +
I M (mA)
用霍尔元件测螺线管磁场实验报告
实验三十 用霍尔元件测螺旋磁场【实验目的】1. 学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法。
2. 学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
【实验仪器】TH —H 型霍尔效应实验组合仪。
【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伦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3-31-1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 取决于式样的导电类型。
对于图3-31-1(a)所示的N 型试样，霍尔元件逆Y 方向，图3-31-1(b)的P 型试样则沿Y 方向。
即有 )(0)()(0)(型型P Y E N Y E h h ⇒<⇒<*（注 （a ）载流子为电子)(型N （b ） 载流子为空穴)(型P ）显然，霍尔电场H E 是阻止载流电子继续向侧面偏移，当载流电子所受的横向电场力H eE 与洛伦兹力B v e 相等时，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有B v e eE H =( 3-31-1)图 3-31-1 霍尔效应实验原理示意图式中，H E 为霍尔电场；v 是载流电子在电流方向上的平均漂流速度。
设试样的宽为b ，厚度d ，载流子浓度为n ，则bd v ne I S =( 3-31-2)由式（3-31-1）、式（3-31-2）可得dB I R d BI ne b E V S H S H H ===1( 3-31-3)即霍尔电压H V ('A A 、电极之间的电压)与B I S 乘积成正比与试样厚度d 成反比。
比例系数neR H 1=称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。
只要测出H V )V （以及知道)()Gs B A I S 、（和)(cm d ，可按下式计算)/(3C cm R H810⨯=BI dV R S H H ( 3-31-4)上式中的810是由于磁感应强度B 用电磁单位高斯)(Gs ，d 用厘米)(cm 单位，而其他各量均采用国际制单位引入。
大学物理实验报告 螺线管磁场的测量
实验报告螺线管磁场的测量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。
本实验采取电放大法，应用霍尔效应对螺线管磁场进行测量。
关键词：霍尔效应；霍尔元件；电磁场；磁场一、实验目的1.了解螺线管磁场产生原理。
2.学习霍尔元件用于测量磁场的基本知识。
3.学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量霍尔片的UH -IS（霍尔电压与工作电流关系）曲线和UH -IM，B-IM（螺线管磁场分布）曲线。
二、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伦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。
如图所示，磁场B位于Z轴的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X轴正向通以电流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轴负向运动。
由于洛伦兹力fL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。
霍尔效应和测量螺旋管内轴线磁场
霍尔效应和测量螺旋管内轴线磁场简介：当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场方向的导体两侧会产生电势差，这个现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的，后被称作为霍尔效应，目前霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用半导体的霍尔效应制成的器件已广泛的应用于磁场的测量，非电量电测，自动控制和信息处理等方面。
一、实验目的（1）了解霍尔效应测磁场的工作原理；（2）学会测量磁感强度B ，半导体的电导率 和载流子浓度n ； （3）用通电螺旋管中心点的磁感强度计算集成霍尔传感器的灵敏度； （4）测定通电螺旋管轴线上的磁感强度的分布； （5）测定地球磁场的磁感强度。
二、实验仪器1、霍尔效应实验组合仪（励磁恒流源M I ，样品工作恒流源S I ，数字电压表，数字电流表）；2、电路控制和电磁铁及霍尔元件装置（霍尔元件，电磁铁，换向开关）；3、通电螺旋管磁场测定仪（95A 集成霍尔传感器、螺旋管、电源和数字电表组合仪）。
霍尔元件 电磁铁换向开关三、实验原理 1、霍尔效应如图所示，正电荷q 在霍尔片内自左向右运动，速度为v ，当外加磁场B 以图示方向垂直穿过霍尔片时，电荷q 受到洛仑兹力向上运动，随着电荷的迁移，霍尔片的上下两面积聚了等量的正负分布电荷，形成了静电场，上下两面有电势差，这一电势差被称为霍尔电压，根据匀强电场场强与电势的关系可得2H U E a= 当分布电荷稳定时，电荷分别受到洛仑兹力和电场力的作用并处于平衡态。
F qvBF qE vB E F F=⎧⎪=⇒=⎨⎪=⎩洛电洛电 通过霍尔片的电流密度2I J nev ad ==，所以12I v ne ad=，n 为参与导电的载流子浓度122HHI E vB B I adU B U ne d E a ⎧==⎪⎪⇒=⎨⎪=⎪⎩令1H R ne =为霍尔系数，则H H IU R B d=。
（霍尔系数代表材料的属性） 若令1H H R K ned d==为霍尔灵敏度，则H H U K BI =。
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0.000
1.475
2.953
4.440
5.923
7.390
8.873
10.335
11.808
13.270
14.753
y = 1.475x + 0.008
R² = 1
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00
霍
尔
电
势
U
h
工作电流Ich
霍尔电流与霍尔电势的关系
UH
线性(UH)
y = 0.013x + 0.550
R² = 0.999
0
2
4
6
8
10
12
14
16
02004006008001000
霍
尔
电
势
U
励磁电流Im
励磁电流与霍尔电势的关系
UH
线性(UH)
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
-250-200-150-100-50050100150200250
B
/
m
T
X/mm