高中物理奧林匹克競賽實驗考核——霍爾效應及磁場的測量ppt課件

1、霍爾效應及磁場的丈量霍爾效應及磁場的丈量Edwin Hall18551938 霍爾效應是霍爾霍爾效應是霍爾 (Hall)24 (Hall)24歲時在美國霍普金斯大學研討生期歲時在美國霍普金斯大學研討生期間，研討關于載流導體在磁場中的間，研討關于載流導體在磁場中的受力性質時發(fā)現(xiàn)的一種景象。受力性質時發(fā)現(xiàn)的一種景象。 在長方形導體薄板上通以在長方形導體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍爾效應，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾爾效應，所產(chǎn)生的電勢差稱為

2、霍爾電壓。電壓。背景引見背景引見霍爾效應霍爾效應量子霍爾效應量子霍爾效應 長時期以來，霍爾效應是在室溫暖中等強度磁場條件下進展實驗的。1980年,德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)如今低溫條件下半導體硅的霍爾效應不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強度呈騰躍性的變化，這種騰躍的階梯大小由被整數(shù)除的根本物理常數(shù)所決議。這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。背景引見背景引見分數(shù)量子霍爾效應分數(shù)量子霍爾效應u高純度半導體資料u超低溫環(huán)境：僅比絕對零度高非常之一攝氏度約273u超強磁場：當于地球磁場強度100萬倍背景引見背景引見崔琦R

3、obert LaughlinHorst Stormer構造出了分數(shù)量子霍爾系統(tǒng)的解析波函數(shù)1998年的諾貝爾物理學獎分數(shù)量子霍爾效應分數(shù)量子霍爾效應實驗原理實驗原理u景象景象 霍爾效應霍爾效應 在長方形導體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁在長方形導體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種景象稱為霍爾效應，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。種景象稱為霍爾效應，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。u實際分析實際分析磁場中運動載流子受洛倫茲力作用磁場中運動載流子受洛倫茲力作用電荷聚集構成電場電荷聚集構成

4、電場電場力與洛倫茲力電場力與洛倫茲力到達平衡，構成穩(wěn)到達平衡，構成穩(wěn)定電壓定電壓UHBfSIvbdEfHUbUqBqHv又思索到又思索到(n為載流子濃度為載流子濃度)dbnqISv實驗原理實驗原理bUqBqHvdBInqUSH1BIKUSHH即：即：埃廷斯豪森效應埃廷斯豪森效應ExzP型半導體+_溫度低溫度高Jx zN型半導體EyJx_+溫度低溫度高 zEy 霍爾效應中的負效應E方向與I和方向有關。由于資料中載流子的速度不同，在磁場的作用下，載流子的偏轉半徑不同，從而在y軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此溫度梯度構成的溫差電動勢為埃廷斯豪森電壓。能斯特效應能斯特效應沿x方向通以電流，兩端電極與樣品的接觸

5、電阻不同而產(chǎn)生不同的焦耳熱，致使x方向產(chǎn)生溫度梯度，這一溫度梯度引起一附加的縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從而在y軸方向產(chǎn)生橫向電位差，為能斯特電壓。NxzN方向只與方向有關。 霍爾效應中的負效應霍爾效應中的負效應里吉里吉-勒迪克效應勒迪克效應縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從縱向熱分散電流，在磁場的作用下，從而在而在y y軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向溫差又引起橫向電位差，為里吉溫差又引起橫向電位差，為里吉- -勒迪勒迪克電壓?？穗妷?。RLxzRLRL的方向只與的方向有關。的方向只與的方向有關。 霍爾效應中的負效應不等位效應不等位效應0 xR0制備霍爾樣品時制備霍

6、爾樣品時, y, y方向的丈量電極很難方向的丈量電極很難做四處于理想的等位面上，即使在未加磁做四處于理想的等位面上，即使在未加磁場時，在、兩電極間也存在一個由于場時，在、兩電極間也存在一個由于不等位電勢引起的歐姆壓降不等位電勢引起的歐姆壓降0 0U0U0的方向只與的方向只與IxIx的方向有關。的方向有關。 霍爾效應中的負效應 霍爾效應中負效應的消除u埃廷斯豪森效應埃廷斯豪森效應 E E 方向與方向與I I和方向有關。和方向有關。u能斯特效應能斯特效應 N N方向只與方向有關。方向只與方向有關。u里吉里吉- -勒迪克效應勒迪克效應 RLRL的方向只與的方向有關的方向只與的方向有關u不等位效應不等

7、位效應 U0 U0的方向只與的方向只與I I的方向有關。的方向有關。u負效應的消除：改動負效應的消除：改動I I和和B B的方向，即對稱丈量法。的方向，即對稱丈量法。u+B,+I, +B,+I, 測得電壓測得電壓U1=UH+UE+UN+URL+U0U1=UH+UE+UN+URL+U0u+B,-I, +B,-I, 測得電壓測得電壓U2=-UH-UE+UN+URL-U0U2=-UH-UE+UN+URL-U0u-B,-I, -B,-I, 測得電壓測得電壓U3=UH+UE-UN-URL-U0U3=UH+UE-UN-URL-U0u-B,+I, -B,+I, 測得電壓測得電壓U4=-UH-UE-UN-UR

8、L+U0U4=-UH-UE-UN-URL+U0uUH=UH=U1-U2+U3-U4)/4-UE U1-U2+U3-U4)/4-UE u忽略忽略UE UE 那么那么UH=UH=|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4 霍爾傳感器的運用霍爾傳感器的運用 1. 霍爾式微位移傳感器霍爾式微位移傳感器u動態(tài)范圍可達動態(tài)范圍可達 5 mmu分辨率為分辨率為 0.001mm 2. 霍爾式轉速傳感器 右圖是霍爾式轉速傳感器。 磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連, 當被測轉軸轉動時, 磁性轉盤隨之轉動, 固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵經(jīng)過時產(chǎn)生一個相

9、應的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉速。磁性轉盤上小磁鐵數(shù)目的多少決議了傳感器丈量轉速的分辨率。 霍爾傳感器的運用霍爾傳感器的運用1-輸入軸；輸入軸；2-轉盤；轉盤；3-小磁鐵；小磁鐵；4-霍爾傳感器霍爾傳感器實驗內容實驗內容u實驗義務實驗義務利用霍爾效應丈量螺線管內軸線上磁感應強度的分布利用霍爾效應丈量螺線管內軸線上磁感應強度的分布. .完成這一實驗義務，必需做以下任務：完成這一實驗義務，必需做以下任務：儀器調理儀器調理(將儀器調理到規(guī)范任務形狀將儀器調理到規(guī)范任務形狀).儀器標定儀器標定(確定霍爾電壓與磁感應強度的關系確定霍爾電壓與磁感應強度的關系).丈量通電螺線管內軸線上磁

10、感應強度的分布丈量通電螺線管內軸線上磁感應強度的分布.關鍵提示關鍵提示本實驗關鍵點如下：本實驗關鍵點如下：1.接線接線2.調規(guī)范任務形狀調規(guī)范任務形狀3.定標：固定位置、改動勵磁電流定標：固定位置、改動勵磁電流4.丈量：固定勵磁電流、改動位置丈量：固定勵磁電流、改動位置請按以上關鍵點閱讀以下資料。請按以上關鍵點閱讀以下資料。實驗安裝實驗安裝FD-ICH-II型螺線管磁場測定儀型螺線管磁場測定儀包括實驗主機、集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、雙刀和單包括實驗主機、集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、雙刀和單刀換向開關、三芯電源線及導線假設干刀換向開關、三芯電源線及導線假設干. .實驗安裝實驗安裝電源組和數(shù)

11、字電壓表電源組和數(shù)字電壓表實驗安裝實驗安裝集成霍耳傳感器探測棒、螺線管集成霍耳傳感器探測棒、螺線管實驗安裝實驗安裝雙刀和單刀換向開關雙刀和單刀換向開關實驗安裝實驗安裝本實驗儀采用本實驗儀采用SS95A型集成霍爾傳感器，內部構造如圖：型集成霍爾傳感器，內部構造如圖：u在零磁場條件下，在零磁場條件下，調理調理V+、V-所接的電所接的電源電壓，使輸出電壓源電壓，使輸出電壓為為2.500V時，傳感器時，傳感器任務電流即為規(guī)范任任務電流即為規(guī)范任務電流務電流.SHSHIKVIKVB).(5002 V為霍爾傳感器輸出電壓為霍爾傳感器輸出電壓規(guī)范任務電流下磁場與霍爾元規(guī)范任務電流下磁場與霍爾元件輸出電壓的關

12、系為：件輸出電壓的關系為：u丈量時霍爾傳感器丈量時霍爾傳感器必需處于規(guī)范任務電必需處于規(guī)范任務電流下流下.V+和和V-構成電構成電流輸入端流輸入端Vout和和V-構成構成電壓輸出端電壓輸出端 V是用是用2.500V外接電壓補償后的外接電壓補償后的輸出值輸出值.實驗內容：儀器調理實驗內容：儀器調理銜接給螺線管提供勵磁電流的電路銜接給螺線管提供勵磁電流的電路.銜接給霍爾元件提供任務電流銜接給霍爾元件提供任務電流(IS)的電路的電路.銜接輸出霍爾電壓的電路銜接輸出霍爾電壓的電路.銜接外接補償電壓銜接外接補償電壓(2.500V)的電路的電路. 詳見下頁圖示詳見下頁圖示.實驗內容：儀器調理實驗內容：儀器

13、調理為螺線管提供勵磁電為螺線管提供勵磁電流流( (流過螺線管的電流過螺線管的電流流) )，產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生磁場. .外接外接2.500V補償電壓補償電壓u 留意：留意：V+、V-不能接反，否那么將損壞元不能接反，否那么將損壞元件件.調理外接調理外接2.500V補償電壓補償電壓調理霍爾元調理霍爾元件任務電流件任務電流雙刀換向開關雙刀換向開關K2K2用于改動勵用于改動勵磁電流的方向磁電流的方向. .顯示勵磁電流大小顯示勵磁電流大小調理勵調理勵磁電流磁電流集成霍爾元件集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾顯示霍爾元件輸出元件輸出電壓電壓. .量程量程切換切換實驗內容：儀器調理實驗內容：儀

14、器調理二二. 將霍爾元件的任務電流調理為規(guī)范任務電流將霍爾元件的任務電流調理為規(guī)范任務電流將開關將開關K1指向位置指向位置1，調理，調理4.8V5.2V電源輸出電壓，使電源輸出電壓，使數(shù)字電壓表顯示的數(shù)字電壓表顯示的“Vout 和和“V-間的電壓為間的電壓為2.500V，此時集成霍爾元件到達規(guī)范化任務形狀，即流過霍爾元件此時集成霍爾元件到達規(guī)范化任務形狀，即流過霍爾元件的電流為規(guī)范任務電流。的電流為規(guī)范任務電流。斷開開關斷開開關K2，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下.K2仍斷開，堅持仍斷開，堅持V+和和V-電壓不變，把開關電壓不變，把開關K1指向指向2，調，調

15、理理2.4V2.6V的外接補償電壓，使數(shù)字電壓表在的外接補償電壓，使數(shù)字電壓表在mV檔的檔的示值為示值為0，即用一個外接，即用一個外接2.500V電位差對傳感器輸出的電位差對傳感器輸出的2.500V電位差進展補償，以便可直接讀出電位差進展補償，以便可直接讀出V .三三. 對傳感器輸出的對傳感器輸出的2.500V電位差進展補償電位差進展補償實驗內容：儀器調理實驗內容：儀器調理霍爾元件置于螺線管中央，改動勵磁電流霍爾元件置于螺線管中央，改動勵磁電流IM (0-500mA) ，丈量，丈量V-IM 關系關系(測測10組數(shù)據(jù)組數(shù)據(jù)).IM為螺線管通電電流為螺線管通電電流 繪制繪制V-IM關系曲線，計算斜

16、率關系曲線，計算斜率 .MIV實驗內容實驗內容1：霍爾電勢差與磁感應強度：霍爾電勢差與磁感應強度B的關系的關系n 方法：霍爾元件位置固定方法：霍爾元件位置固定( (置于螺線管的中央置于螺線管的中央) )，改，改動勵磁電流動勵磁電流. . 留意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，丈量點在兩留意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，丈量點在兩邊應比中間獲得密一些邊應比中間獲得密一些用測得的軸線上各點的磁感應強度，繪制螺線管軸線上用測得的軸線上各點的磁感應強度，繪制螺線管軸線上磁場的分布曲線磁場的分布曲線. .勵磁電流為勵磁電流為0 0時，霍爾電時，霍爾電壓總為壓總為0 0嗎？嗎？IM=0時，由于地磁場的存在

17、，時，由于地磁場的存在，VH不一定為不一定為0，怎樣消除地磁，怎樣消除地磁場的影響？場的影響？u每個點每個點IMIM正、反向各測一次，取二者絕對值的平均正、反向各測一次，取二者絕對值的平均值作為該點的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響值作為該點的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響. .實驗內容實驗內容2：螺線管軸線磁場分布的丈：螺線管軸線磁場分布的丈量量n 方法：堅持勵磁電流不變方法：堅持勵磁電流不變(250mA)，改動霍爾元件位置，改動霍爾元件位置(030.0cm) ，丈量螺線管軸線上各點的霍爾電壓。，丈量螺線管軸線上各點的霍爾電壓。實驗數(shù)據(jù)例實驗數(shù)據(jù)例靈敏度的測定靈敏度的測定 表表1丈量霍爾電壓丈量霍爾電壓(已放大已放大)與勵磁電流與勵磁電流IM的關系的關系 (霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即X=17.0cm處處)霍爾電壓與勵磁電流的關系曲線：霍爾電壓與勵磁電流的關系曲線：實驗數(shù)據(jù)例實驗數(shù)據(jù)例螺線管內軸線磁場分布的測定螺線管內軸線磁場分布的