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文檔簡介
1、邁克爾遜干涉儀調(diào)節(jié)及使用邁克爾遜干涉儀是用分振幅法產(chǎn)生雙束干涉的精密光學(xué)儀器。利用這種干涉儀還可以精密測量長度,測量媒質(zhì)的折射率及測定光譜精細(xì)的結(jié)構(gòu)等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解邁克爾遜干涉儀的設(shè)計(jì)原理、主要結(jié)構(gòu)、光路及相干光的獲得。2、掌握邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)要求與調(diào)節(jié)方法。3、掌握邁克爾遜干涉儀測光波波長的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器:邁克爾遜干涉儀、鈉光燈、He-Ne激光器、擴(kuò)束鏡三、實(shí)驗(yàn)原理:1、邁克爾遜干涉儀的光路、相干光的獲得如圖1所示,G1和G2是兩個嚴(yán)格平行、厚度相同的光學(xué)玻璃板,稱為“分光板”和“補(bǔ)償板”,M1與M2是兩個平面鏡,與G1、 G2成45°夾角。G1的背面涂有薄
2、銀膜(稱為“半透膜”)。從光源S發(fā)出的光線射入G1后被半透膜分成強(qiáng)度相同的反射光和透射光。反射光從G1穿出射向M1,被M1反射后又射入G1,從O處穿出射向E; 圖1從半透膜射出的光經(jīng)過G2射向M2,被M2反射后又從G2穿出,在O處再被半透膜反射,射向E。在O 處相遇射向E的兩列光是由同一束光發(fā)出,因此它們的頻率、初相位、振動方向相同、但走過的光程不同,因而有光程差,因此這兩束光是相干光,將會發(fā)生干涉。補(bǔ)償板G2的作用是使兩束光在玻璃板G1與G2內(nèi)走的光程相同。因此計(jì)算兩列光的光程差時只需考慮光在空氣中的幾何路程差。觀察者從E(眼睛)處向分光板G1的O處看去,能同時看到被M1和M2反射的光,而被
3、M2反射的光猶如從M2反射來的。如圖2所示:OM2=OM2,因此從光程差考慮時,干涉儀產(chǎn)生的干涉就如同厚度為d的M1與M2間的空氣膜產(chǎn)生的一樣。2、干涉條紋 圖21、 等傾干涉條紋:調(diào)節(jié)M1與M2使之嚴(yán)格垂直,即M1與M2嚴(yán)格平行,那將會形成一系列明暗相間的同心圓環(huán),這就是等傾干涉圖樣。改變M1和M2之間的距離,即也就是改變空氣膜d的距離,圖樣將變化。d增大,條紋的半徑將變大,整個圖樣的每個環(huán)都將向外擴(kuò)張,條紋將從中心“冒出”;反之d減小,條紋的半徑將減小,條紋將向中心“縮入”。若d改變d,相應(yīng)“冒出”、“縮入”的條紋數(shù)為N,則有: (1)(為入射光波長)(2)、等厚干涉條紋:當(dāng)M1和M2沒有
4、嚴(yán)格垂直,即M1和M2有一極小夾角(d0),這樣M1和M2之間即形成一空氣劈尖。這時觀察到的是明暗相間的平行直線條紋。這就是等厚干涉圖樣。四、實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容:1、調(diào)節(jié)干涉儀使之產(chǎn)生等傾干涉圖樣:調(diào)節(jié)目的是使M1M2或M1M2。調(diào)節(jié)步驟:調(diào)節(jié)M1、M2至G1的距離大致相等。粗調(diào):調(diào)節(jié)M1與M2的傾角方位。用He-Ne激光光束射向G1,在E處(毛玻璃屏)可見到兩排亮點(diǎn)。調(diào)M1和M2背后的三個螺釘,使兩排中最亮的兩點(diǎn)相重合并產(chǎn)生干涉條紋。若用Na光調(diào)節(jié)(不需要毛玻璃屏),從E處向M1鏡看去,可看到兩組燈像重合,也可以在燈前加毛屏,屏前置一針尖或畫“”物作為觀察目標(biāo)。細(xì)調(diào):當(dāng)最亮的兩點(diǎn)相重合并產(chǎn)生干涉
5、條紋后,在He-Ne激光光束前放置一擴(kuò)束鏡,讓光束通過擴(kuò)束鏡照在G1上。調(diào)節(jié)M2下方的拉力彈簧,使視場中出現(xiàn)直線條紋或同心圓圖樣。(當(dāng)視場中出現(xiàn)水平條紋,微微調(diào)節(jié)豎直拉力彈簧;出現(xiàn)豎直條紋,微微調(diào)節(jié)水平拉力彈簧。)并要求人眼上下、左右移動看,無視差為止。2、觀察條紋干涉的特點(diǎn):改變,條紋將怎樣變化?3、測量:細(xì)心轉(zhuǎn)動微調(diào)手柄,記下條紋“冒出”或“收縮”的圈數(shù):N=50或100個。移動,讀出對應(yīng)讀數(shù)d。求出d,根據(jù)(1)式計(jì)算出的值。求出鈉光波長的平均值和He-Ne激光波長的平均值,將測得值與標(biāo)準(zhǔn)值比較,算出相對百分誤差。五、數(shù)據(jù)記錄及處理:1、He-Ne激光波長的測定 單位:mm 次數(shù)的位置N
6、123=、Na光波長測定單位:mm 次數(shù)的位置N123=六、誤差分析:(自己分析)七、注意事項(xiàng):1、邁克爾遜干涉儀為精密貴重光學(xué)儀器,操作必須小心,光學(xué)玻璃面絕對禁止用手觸摸!2、儀器零點(diǎn)調(diào)節(jié)以后必須繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪,直至圖樣中心有條紋“冒出”(或“縮入”)時才能開始讀數(shù)。3、因“空程”較大,讀數(shù)時只能連續(xù)一個方向(順時針)旋轉(zhuǎn)微調(diào)手輪,中途絕不能倒轉(zhuǎn)!4、平面鏡背后的三個螺釘和M2下的兩個彈簧,做實(shí)驗(yàn)應(yīng)使他們處于“合適位置”,即可松可緊。實(shí)驗(yàn)做完后,應(yīng)將三個螺釘擰松,使拉力彈簧處于松弛狀態(tài)。5、視差的消除附:儀器介紹邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖3所示,此儀器由下述六個部分組成。 圖31、底
7、座部分(以下名稱前的序數(shù)對應(yīng)與圖3上的指示數(shù))(1)底座:由生鐵鑄成,較重,使該儀器有很好的穩(wěn)定性。(2)水平調(diào)節(jié)螺釘腳:調(diào)節(jié)儀器水平用。2、導(dǎo)軌部分(3)導(dǎo)軌框架:兩根平行的長約為280mm的導(dǎo)軌框架,被固定在底座上,框架正中沿導(dǎo)軌方向,穿過一根精密的螺絲桿。(4)絲桿:此螺絲桿非常精密,螺距為1mm。3、拖板部分(5)拖板:是一塊平板,反面做成與導(dǎo)軌吻合的凹槽,裝在導(dǎo)軌上,下方還固定一個精密的螺母,絲桿穿過螺母,當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)時,拖板能前后移動。(6)動鏡M1:是一塊很精密的平面鏡,表面鍍了一層金屬膜,具有很高的反射率,垂直地固定在拖板上,可沿導(dǎo)軌移動,它的法線嚴(yán)格地與絲桿平行。(7)調(diào)節(jié)螺釘
8、(3只):M1鏡面背后有3個成等邊三角形分布的調(diào)節(jié)螺釘,主要是調(diào)節(jié)鏡面的傾角方位。4、定鏡部分(8)定鏡M2:與M1相同的一塊平面鏡,表面上鍍了一層金屬膜,固定在導(dǎo)軌框的右側(cè)支架上,不能移動。(9)調(diào)節(jié)螺釘(3只):在定鏡M2的背面,作用同M1鏡背面的螺釘。(10)水平拉力彈簧:通過此彈簧的調(diào)節(jié),使M2在水平方向轉(zhuǎn)過一微小角度。(11)垂直拉力彈簧:通過此彈簧的調(diào)節(jié),使M2在垂直方向改變一微小角度。(10)、(11)兩個拉力彈簧的調(diào)節(jié)只是微小的改變定鏡M2的鏡面方位,遠(yuǎn)比(9)調(diào)節(jié)螺釘改變M2的鏡面方位要小的多。(12)分光板G1:將照射在它上面的光分成兩束,后表面處鍍有半透光金屬膜,分光板G
9、1的表面法線與絲桿成450角。 (13)補(bǔ)償板G2:放在G1與M2之間,G2與G1有相同的厚度和相同的折射率,而且放置時G2必須與G1準(zhǔn)確地平行,在制造兩塊板時,先將一整塊玻璃磨成兩面嚴(yán)格平行的光學(xué)平面,然后將它割成完全相同的兩塊。5、讀數(shù)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動部分(14)粗調(diào)手輪:每轉(zhuǎn)過一周,拖板移動1mm(即動鏡M1移動1mm)。(15)讀數(shù)窗口:粗調(diào)手輪轉(zhuǎn)過一周,讀數(shù)窗口里的鼓輪也轉(zhuǎn)動一周,鼓輪的一圈分為100格,每格為0.01mm(鼓輪上的讀數(shù)由窗口上的基準(zhǔn)線指示)。(16)微調(diào)手輪:每轉(zhuǎn)過一周,拖板移動0.01mm(讀數(shù)窗口中看到讀數(shù)鼓輪也移動一格),將“微調(diào)手輪”的周線等分100格,每格為10
10、-4mm(微調(diào)手輪旁有一基準(zhǔn)線指示)。 (注:邁克爾遜干涉儀粗調(diào)轉(zhuǎn)動時,微調(diào)手輪與它自動脫離,即粗調(diào)手輪轉(zhuǎn)動時,微調(diào)手輪不轉(zhuǎn)動,但微調(diào)手輪轉(zhuǎn)動時,粗調(diào)手輪也轉(zhuǎn)動。)6、附件(18)支架桿和夾緊螺絲:放毛玻璃屏用。(19)毛玻璃屏。牛頓第二定律的驗(yàn)證在物理實(shí)驗(yàn)中,由于摩擦的存在,使某些實(shí)驗(yàn)誤差很大,采用氣墊導(dǎo)軌裝置后,由于氣墊層的浮托作用,使物體運(yùn)動時摩擦阻力大為減小,從而可在這些實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行較為精確的測量。氣墊技術(shù)在機(jī)械、電子、紡織、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛的應(yīng)用,如氣墊船,空氣軸承,氣墊輸運(yùn)等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、熟習(xí)氣墊導(dǎo)軌的構(gòu)造,掌握其正確的調(diào)整和使用方法2、熟習(xí)用光電計(jì)時系統(tǒng)測量短暫時間
11、的方法3、學(xué)會測運(yùn)動物體的速度和加速度4、驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動定律二、實(shí)驗(yàn)儀器:氣墊導(dǎo)軌,滑塊,光電門,數(shù)字毫秒計(jì),氣源,配重,砝碼及砝碼盤,數(shù)字式電子天平。三、實(shí)驗(yàn)原理:1、瞬時速度的測量一個作直線運(yùn)動的物體,在到+時間內(nèi)經(jīng)過的位移為,則該物體在時間內(nèi)的平均速度為: 。為了精確地描述物體的運(yùn)動狀態(tài),將時間無限減小,并使之趨近于零,瞬時速度。在實(shí)驗(yàn)中,直接測量瞬時速度幾乎是不可能的,因?yàn)樵跍y量上存在困難。但在一定誤差范圍內(nèi),可取很小的時間間隔及位移,用其平均速度來近似地代替瞬時速度。2、加速度的測量作勻加速直線運(yùn)動的物體,加速度與速度,位移的關(guān)系為: 應(yīng)用氣墊導(dǎo)軌裝置,可以測出滑塊通過第一光電門的
12、初速度和通過第二個光電門的末速度,再測出兩光電門之間的距離S,從而求出加速度。3、驗(yàn)證牛頓第二定律如圖,分別以和為研究對象,根據(jù)牛頓第二定律,可列出下列方程: 或在實(shí)驗(yàn)中,把和看成一個系統(tǒng)來研究,可以先保持系統(tǒng)的總質(zhì)量不變,改變外力,測出相應(yīng)的加速度,驗(yàn)證與F成正比;然后保持外力不變,改變系統(tǒng)總質(zhì)量,測相應(yīng)的加速度,驗(yàn)證與成反比。在誤差范圍內(nèi)若,或,則認(rèn)為牛頓第二定律得到了驗(yàn)證。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、儀器的調(diào)整(1)將壓縮空氣送入氣墊導(dǎo)軌,滑塊放在導(dǎo)軌上,使滑塊在導(dǎo)軌上自由滑動(注意:在送氣前,嚴(yán)禁將滑塊在導(dǎo)軌上移動,以免磨損導(dǎo)軌表面)。(2)調(diào)節(jié)光電計(jì)時系統(tǒng),熟習(xí)計(jì)時器的使用,使滑塊能順利通
13、過光電門且都能記下時間。(3)調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平:兩光電門相距50.060.0cm 粗調(diào):把滑塊靜止放在導(dǎo)軌中部,調(diào)節(jié)調(diào)平螺釘,使滑塊基本保持靜止。 細(xì)調(diào):給滑塊一個初速度(12m/s),觀察它經(jīng)過兩個光電門的時間,使和相差不超過5ms,就認(rèn)為導(dǎo)軌基本水平。2、用數(shù)字式電子天平測量滑塊質(zhì)量,砝碼盤,砝碼,配重的大小。3、保持兩光電門的距離(50cm)和系統(tǒng)總質(zhì)量不變(如何保持?)改變外力,測量和,重復(fù)5次,用平均值計(jì)算和和,作F圖線,驗(yàn)證正比F,或 ()。 4、保持外力不變,改變系統(tǒng)總質(zhì)量,重復(fù)步驟3,作m圖線,驗(yàn)證反比m,或( ) 五、數(shù)據(jù)記錄及處理1、擋光前沿 ,、光電門之間的距S= , =
14、 , = , = , = 步驟3數(shù)據(jù):= 公式: 時 次數(shù)間外力12345(ms)(m/s)(m/s2) 步驟4數(shù)據(jù): 令時 次數(shù) 間質(zhì)量12345(ms)(m/s)(m/s2)m2、分析一定時,與F的關(guān)系,作F圖,驗(yàn)證 F/= 。3、分析F一定時,與的關(guān)系,作圖,驗(yàn)證 =F 。 六、預(yù)習(xí)思考題:1、氣墊導(dǎo)軌由哪幾部分組成?如何調(diào)節(jié)與判斷導(dǎo)軌水平?2、如何使用數(shù)字毫秒計(jì)?3、F=中,總質(zhì)量是由哪幾個物體組成的質(zhì)量之和?如何保持質(zhì)量不變而外力改變?七、分析討論題:1、試分析實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因?2、當(dāng)導(dǎo)軌不水平時,對加速度的測量結(jié)果有何影響?八、注意事項(xiàng):1、在未打開氣源之前嚴(yán)禁將滑塊放在導(dǎo)軌上
15、移動;同時防止滑塊跌落地面而遭到損壞。在使用前,用藥棉蘸少許酒精將導(dǎo)軌擦洗干凈。2、使用數(shù)字毫秒計(jì)前,應(yīng)先弄清面板上各鍵的作用。3、重復(fù)測量時,每次放置的位置相同。九、實(shí)驗(yàn)總結(jié):附:儀器介紹:1、氣墊導(dǎo)軌氣墊導(dǎo)軌是利用氣源將壓縮空氣打入導(dǎo)軌空腔,由導(dǎo)軌表面上的小孔噴出氣流,在導(dǎo)軌與滑塊之間形成很薄的氣膜,將滑塊浮起,使滑塊能在導(dǎo)軌上作近似無阻力的直線運(yùn)動。它是一種阻力極小的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。主要結(jié)構(gòu)如下:(1)、導(dǎo)軌:采用特制的三角型鋁合金管體做成,非常平直地固定在工字鋼架上。兩個軌面成90°,每個導(dǎo)軌面上都均勻地鉆有氣孔。(2)、滑塊:用角鋁合金做成,上面有槽可以安裝各種擋光附件,兩端
16、裝有緩沖彈簧?;瑝K底部與軌面嚴(yán)密配合,不能將其他導(dǎo)軌上的滑塊與本組交換使用。(3)、光電門:是計(jì)時裝置的傳感器。2、數(shù)字毫秒計(jì)使用操作步驟:a、開機(jī)前接好電源; b、將光電門線插入P1,P2插口; c、按下電源開關(guān); d、按下功能鍵,設(shè)定在計(jì)時功能,讓帶有檔光片的滑塊通過光電門即可顯示所測時間。 液體粘滯系數(shù)的測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模焊鶕?jù)斯托克斯公式用落球法測定油的粘滯系數(shù)二、儀器和用具: 粘滯系數(shù)測定裝置,停表,螺旋測微計(jì),游標(biāo)卡尺,分析天平,密度計(jì)或比重計(jì),溫度計(jì),小球,鑷子,待測液體(蓖麻油),磁鐵。三、 實(shí)驗(yàn)原理: 當(dāng)半徑為的光滑圓球,以速度在均勻的無限寬廣的均勻液體中運(yùn)動時,若速度不大,球
17、也很小,在液體中不產(chǎn)生渦流的情況下,斯托克斯指出球在液體中所受到的阻力為 (1) 式中為液體的粘滯系數(shù),此式稱為斯托克斯公式從上式可知,知道阻力的大小和物體運(yùn)動的速度成正比例。當(dāng)質(zhì)量為、體積為的小球在密度為的液體中下落時,作用在小球上的力有三個,即:(1)重力,(2)液體的浮力,(3)液體的粘滯阻力。這三個力都作用在同一鉛直線上,重力向下,浮力和阻力向上(圖 1)。球剛開始下落時,速度很小,阻力不大,小球作加速下降。隨著速度的增加阻力逐漸加大,速度達(dá)到一定值時,阻力和浮力之和將等于重力,那時物體運(yùn)動的加速度等于零,小球開始勻速下落,即 此時的速度稱為收尾速度.由此式可得 將代入上式,得 (2)
18、 由于液體在容器中,而不滿足無限寬廣的條件,這時實(shí)際測得的速度和上述式中的理想條件下的速度之間存在如下關(guān)系 3)式中R為盛液體圓筒的半徑,H為筒中液體的深度,將式(3)代入式(2),得出 4) 其次,斯托克斯公式是假設(shè)在無渦流的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的,實(shí)際小球下落時不是這樣理想狀態(tài),因此還要進(jìn)行修正。已知在這時的雷諾數(shù)Re為 (5) 當(dāng)雷諾數(shù)不甚大(一般在Re <10)時,斯托克斯公式修正為 6)則考慮此項(xiàng)修正后的粘滯系數(shù)測得值0, 等于 (7)實(shí)驗(yàn)時,先由式(4)求出近似值,用此代入式(5)求出,最后由式(6)求出最佳值。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟: 1、實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。2、 將待測液體加至筒油
19、上方二紅線之間。3、測量N1N2間距離,待測液的半徑,油的深度。選取適當(dāng)儀器去測量。 4、用密度計(jì)或比重計(jì)測量待測油的密度。5、用乙醚、酒精混合液體洗凈小球、擦干后,測量半徑和質(zhì)量(分別測10個球的半徑取平均;同時測10個球的質(zhì)量).測后將其浸在和待測液相同的液體中待用。 6、將油筒調(diào)到鉛直方向。 7、用鑷子取一個小球,在油筒中心軸線處放入油中,用停表測出小球通過N1N2間的時間。逐一測量求出的平均值,再求。 8、溫度對粘滯系數(shù)影響較大,測量前后各測一次溫度.取平均值。 9、根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算粘滯系數(shù)。 五數(shù)據(jù)記錄及處理H(m)L(m)R(m)m(kg)t1t2t 1記錄:單位:單位:S2、用算
20、術(shù)平均絕對誤差表示測量結(jié)果(計(jì)算誤差時,按式(2)考慮即可,補(bǔ)正項(xiàng)的誤差一般影響不大可以略去不計(jì))。六 、誤差分析:七 、注意事項(xiàng):1.小球要清洗干凈。 2.讀取時間時眼睛要平視小球和標(biāo)致線。 3.實(shí)驗(yàn)過程中要盡量滿足公式的適用條件。八、 思考題: 2.如果投入小球偏離中心軸線,將出現(xiàn)什么影響?;魻栃?yīng)1879年,霍爾發(fā)現(xiàn):置于磁場中的載流體,當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時,在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生一附加的橫向電場,此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差?;魻栃?yīng)的研究在半導(dǎo)體理論中起了重要推動作用。如今,霍爾效應(yīng)不但是測定半導(dǎo)體材料電學(xué)參數(shù)的主要手段,而且利用半導(dǎo)體材料制成的霍爾器
21、件已廣泛用于非電量檢測、自動控制和信息處理中。在工業(yè)生產(chǎn)要求自動檢測和自動化控制的今天,用為敏感元件之一的霍爾器件將有更廣泛的前景。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解霍爾效應(yīng)原理,以及有關(guān)霍爾元件對材料要求的知識。2、測繪霍爾元件的霍爾電壓與工作電流,霍爾電壓與勵磁電流的關(guān)系曲線。并判斷樣品的導(dǎo)電類型。3、利用霍爾效應(yīng)測量螺線管磁場分布。4、了解副效應(yīng)的產(chǎn)生并學(xué)會運(yùn)用“對稱交換測量法”減小副效應(yīng)的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器:螺線管磁場實(shí)驗(yàn)儀 、 霍爾效應(yīng)螺線管磁場測試儀三、實(shí)驗(yàn)原理:1、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏
22、轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷在不同側(cè)面的聚積,從而形成附加的橫向電場。如圖所示,磁場B位于Z的正向,與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿X正向通以電流(稱為控制電流或工作電流),假設(shè)載流子為電子(n型半導(dǎo)體材料),它沿著與電流相反的X負(fù)向運(yùn)動。由于洛侖茲力的作用, (圖一)電子即向圖中虛線箭頭所指的位于Y軸負(fù)方向的B側(cè)偏轉(zhuǎn),而使B側(cè)形成電子積累,而相對的A側(cè)形成正電荷積累。與此同時運(yùn)動的電子還受到由于兩側(cè)積累的異種電荷形成的反向電場力的作用。隨著電荷積累量的增加,增大,當(dāng)兩力大小相等(方向相反)時,則電荷積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時在A、B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場,相應(yīng)的電勢差稱為霍爾
23、電壓。設(shè)電子按均一速度向圖示的X軸負(fù)方向運(yùn)動,在磁場B作用下所受洛侖茲力,同時電場作用于電子的力當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時,設(shè)霍爾元件寬度為,厚度為,載流子濃度為,則霍爾元件的工作電流為由、兩式得:。即霍爾電壓與、的乘積成正比,與霍爾元件的厚度成反比,比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)。根據(jù)的正負(fù)可以判斷樣品的導(dǎo)電類型:為負(fù),樣品為型;為正,樣品為型。當(dāng)霍爾元件的厚度確定時,設(shè)將式代入式得:式中稱為元件的靈敏度,它表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位工作電流下的霍爾電勢大小,其單位是。根據(jù)上面可以知道,要得到較大的霍爾電壓,關(guān)鍵是要選擇霍爾系數(shù)大(遷移率高,電阻率亦較高)的材料,就金
24、屬體而言,遷移率和電阻率均很低,而不良導(dǎo)體電阻率雖高,但遷移率極小,因而上述兩種材料的霍爾系數(shù)都很小,不能用來制造霍爾元件。半導(dǎo)體遷移率很高,電阻率適中,是制造霍爾元件較理想的材料。由于電子的遷移率比空穴遷移率大,所以霍爾元件常采用型材料。此外元件厚度越薄,越大。所以制作時,往往采用減小厚度的辦法來增加靈敏度,但不能認(rèn)為厚度越薄越好,因?yàn)榇藭r元件的輸入和輸出電阻將會增加。應(yīng)當(dāng)注意,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和元件平面法線成一角度時(如圖二),作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量,此時。所以一般在使用時應(yīng)調(diào)整元件兩平面方位,使達(dá)到最大,即,。(圖二)由式可知,當(dāng)和兩者之一改變方向時,霍爾電壓的方向改變;若
25、兩者同時改變,則極性不便。2、螺線管磁場:由描述電流產(chǎn)生磁場的畢奧薩伐爾定律,經(jīng)計(jì)算可得出通電螺線管內(nèi)部軸線上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:式中亨利米為真空中的磁導(dǎo)率,為螺線管單位長度的匝數(shù),為勵磁電流強(qiáng)度,和分別表示該點(diǎn)到螺線管兩端的連線與軸線的夾角,如圖三所示。在螺線管軸線中央,代入得:式中為螺線管的總匝數(shù),如果螺線管為“無限長”,即螺線管的長度較管的直徑為很大時,式中,所以。這一結(jié)果說明,任何繞得很緊密的長螺線管內(nèi)部沿軸線的磁場是勻強(qiáng)的,由安培環(huán)路定理易于證明,無限長螺線管內(nèi)部非軸線處的磁感應(yīng)強(qiáng)度也由式描述。在無限長螺線管軸線的端口處,磁感應(yīng)強(qiáng)度為:為中心處的一半。用霍爾元件測定螺線管軸線上的磁場
26、分布時,把霍爾元件垂直放入待測磁場中,由測得和值,代入式便可求得值。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、按儀器上的文字和符號提示連接電路,開機(jī)預(yù)熱15分鐘。2、判斷霍爾元件載流子的類型。3、測繪曲線:將霍爾元件垂直于磁場方向并使其位于螺線管中心位置,取 ,依次調(diào)節(jié)等于2.00、3.00、10.00,按對稱交換法測量相應(yīng)的、值,計(jì)算,用坐標(biāo)紙作曲線。 4、測繪曲線:取,依次取100、200、1000,用對稱交換法測量相應(yīng)的、值,計(jì)算,用坐標(biāo)紙作曲線。 5、測量螺線管軸線上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布:將霍爾元件置于螺線管的中心,調(diào), ,測相應(yīng)的。保持、不變,以螺線管軸線為軸,以螺線管中央為坐標(biāo)原點(diǎn),將霍爾元件從中心向邊緣
27、移動,每隔10選一個點(diǎn),測相應(yīng)的值,計(jì)算出,繪出圖,顯示螺線管內(nèi)的分布關(guān)系。五、數(shù)據(jù)記錄及處理表一關(guān)系 2.003.004.00.10.00表二 關(guān)系 100200300.1000表三關(guān)系 = X(mm)B=01020.六、注意事項(xiàng):霍爾元件及二維標(biāo)尺易于折斷、變形等損壞,應(yīng)注意避免擠壓、碰撞等。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查。為了不使螺線管過熱而受到損害,或影響測量精度,除在短時間內(nèi)讀取數(shù)據(jù),通以勵磁電流外,其余時間必須斷開勵磁電流開關(guān)。七、思考題:、制造霍爾元件時,為何運(yùn)用半導(dǎo)體材料較為理想?、對稱交換法能否完全消除影響?你能想出更好的實(shí)驗(yàn)方法嗎?、霍爾元件通以交變電流時如何測量霍爾電壓?畫出實(shí)驗(yàn)線路圖。、
28、在測量曲線中,當(dāng)為時,仍有霍爾電壓。為什么? 實(shí)驗(yàn)儀器簡介本套儀器有ZKY-LS螺線管磁場實(shí)驗(yàn)儀和ZKY-H/L霍爾效應(yīng)螺線管測試儀兩部分組成。 、 螺線管磁場實(shí)驗(yàn)儀:霍爾元件測量磁場的基本電路如圖,將霍爾元件置于待測磁場的相應(yīng)位置,并使元件平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直,在其控制端輸入恒定的工作電流,霍爾元件的的霍爾電勢輸出端接毫伏表,測量霍爾電勢的值。實(shí)驗(yàn)儀有螺線管,裝在二維移動尺上的霍爾元件及引線,三個雙刀雙擲換向閘刀開關(guān)組成?;魻柶嫌袟l引出線,其中編號為、的兩條為霍爾工作電流極,編號為、的兩條為霍爾電壓輸出極,同時將這條引線焊接在玻璃絲布板上,然后引到儀器換向閘刀開關(guān)上,三個雙刀雙擲閘刀開關(guān)分別對螺線管電流、工作
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