大學物理試驗教案-霍爾效應

1、大學物理實驗教案實驗名稱霍爾效應教學時數(shù)2學時教學目的和要求1、了解霍爾效應原理。2、了解霍爾電勢差Vj與霍爾元件工作電流|之間的關系，了解霍爾電勢差H1sV與勵磁電流I之間的關系。H1m3、學習用“對稱交換測量法”消除負效應產生的系統(tǒng)誤差。4、學習利用霍爾效應測量磁感應強度B的原理和方法。教學重點1、霍爾效應原理。2、對稱交換測量法消除負效應產生的系統(tǒng)誤差。3、用霍爾元件測量磁場的原理和方法。教學難點1、用霍爾元件測量磁場的原理和方法。2、霍爾電壓測量時產生附加電壓的消除方法教學內容1、真空中載流長直螺線管內部的磁感應強度為B=N0nl。2、霍爾效應一通電溥條在電場垂直方向加一磁場，結果發(fā)現(xiàn)

2、仕電場與磁場都垂苴的方向上會出現(xiàn)一個電場。vh=KhiB3霍爾電壓的測量實際測量時所測的電壓不是Vh,還包括其它因素帶來的附加電壓：(1)不等勢電壓Vo,(2)厄廷豪森效應Ve,(3)能斯脫效應Vn,(4)里記一勒杜克效應V.L,我們可通過改變Is、B的方向的辦法，使在不同的測量條件下抵消這些因素的影響。教學方法教師講解教學內容，明確其重點和難點，然后實際演示操作要點。教學手段學生操作，隨堂檢查操作情況。根據學生的操作情況將容易犯錯的問題做重點提示，學生可以根據操作中遇到的具體問題個別提問。時間分配A次課講授30分鐘，學生操作70分鐘，做霍爾效應。第二次課做測量螺線管磁場部分。板書設計實驗目的

3、、實驗原理、測量關系式、數(shù)據處理提示。主要參考資料1、楊述武等，普通物理實驗（第四版）M,北京：高等教育出版社，2007.2、鄭庚興，大學物理實驗M.上海：上?？茖W技術文獻出版社，2004.3、黃水平，大學物理實驗M.北京：機械工業(yè)出版社，2012.4、徐揚子，丁益民，大學物理實驗M.北京：科學出版社，2006.5、李蓉，基礎物理實驗教程M.北京：北京師范大學出版社，2008.實驗名稱：霍爾效應實驗目的：1、了解霍爾效應原理。2、了解霍爾電勢差VH與霍爾元件工作電流Is之間的關系，了解霍爾電勢差VH與勵磁電流Im之間的關系。3、學習用“對稱交換測量法”消除負效應產生的系統(tǒng)誤差。4、學習利用霍爾

4、效應測量磁感應強度B的原理和方法。實驗儀器：TH-H霍爾效應實驗儀TH-H霍爾效應測試實驗原理：一、霍爾效應原理若將通有電流的導體置于磁場B之中，磁場B（沿z軸）垂直于電流|S（沿x軸）的方向，如圖所示，則在導體中垂直于B和IS的方向上出現(xiàn)一個橫向電勢差UH,這個現(xiàn)象稱為霍爾效應。這一效應對金屬來說并不顯著，但對半導體非常顯著。利用霍爾效應可以測定載流子濃度、載流子遷移率等重要參數(shù)，是判斷材料的導電類型和研究半導體材料的重要手段。還可以用霍爾效應測量直流或交流電路中的電流強度和功率，以及把直流電流轉成交流電流并對它進行調制、放大。用霍爾效應制作的傳感器廣泛用于磁場、位置、位移、轉速的測量?；魻?/p>

5、電勢差產生的本質，是當電流IS通過霍爾元件（假設為P型，即導電的載流子是空穴。）時，空穴有一定的漂移速度v,垂直磁場對運動電荷產生一個洛侖茲力Fb=q(VxB)(1)式中q為載流子電荷。洛淪茲力使載流子產生橫向的偏轉，由于樣品有邊界，所以有些偏轉的載流子將在邊界積累起來，產生一個橫向電場E,直到電場對載流子的作用力FE=qE與磁場作用的洛淪茲力相抵消為止，即q(vxB)=qE(2)這時載流子在樣品中流動時將不偏轉地通過霍爾元件，霍爾電勢差就是由這個電場建立起來的。如果是N型樣品，即導電的載流子是電子，則橫向電場與前者相反，所以N型樣品和P型樣品的霍爾電勢差有不同的符號，據此可以判斷霍爾元件的導

6、電類型。設P型樣品的載流子濃度為n,寬度為b,厚度為d。通過樣品電流IS=nevbd,則空穴的速度v="，代入(2)式有nebd(3)IsBnebd上式兩邊各乘以b,便得到Vh=Eb=IsBIsBRH.nedd(4)霍爾電壓VH(A、A'之間電壓)與Is、B的乘積成正比，與霍爾元件的厚度d成反比，比例系數(shù)RH,稱為霍爾系數(shù)。它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數(shù)。RHVHd(5)ne在應用中一般寫成(6)Vh=KhIsBRH1比例系數(shù)Kh=，稱為霍爾兀件靈敏度，單位為mV/(mA)。一般要求KhIsned愈大愈好。Kh與載流子濃度n成反比，半導體內載流子濃度遠比金屬載流子濃度小，

7、所以選用半導體材料作為霍爾元件。Kh與片厚d成反比，所以霍爾元件都做的很薄，一般只有0.2mm厚。由(4)式可以看出，知道了磁感應強度B,只要分別測出傳導電流Is及霍爾電勢差Vh,就可算出霍爾系數(shù)RH和霍爾元件靈敏度Kh二、由Rh確定以下參數(shù)(1)由Rh的符號(或霍爾電壓的正負)判斷樣品的導電類型。判斷的方法是按圖所示的Is和B的方向，若測得的Vh>0,(即電流流入端電勢高于流出端的電勢)，則Rh為正，樣品屬P型，反之則為N型。1一一.一一.、(2)由Rh求載流子濃度n,即n=。應該指出，這個關系是假定所有載流子|Rh|6都具有相同的漂移速度得到的(嚴格一點，應考慮載流子的速度統(tǒng)計分布，

8、在若磁場下應引入一個修正因子亞)。8三、霍耳元件副效應的影響及其消除1 .霍耳元件的副效應在研究固體導電過程中，繼霍耳效應之后不久又發(fā)現(xiàn)了厄廷豪森(Etinghausen)、能斯特(Nernst)和里紀一勒杜克(Righi-Ledue)效應，它們都歸屬于熱磁效應。(1)厄廷豪森效應1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們在磁場的作用下，速度大的受到洛侖茲力大，繞大圓軌道運動；速度小的則繞小圓軌道運動，這樣導致霍耳元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個橫向的溫度梯度。因而產生溫差電效應，形成電勢差，記為Ue。其方向決定于Ih和磁場B的方向，并可判斷Ve與Vh始終同向(2)能斯特效

9、應由于輸入電流端引線的焊接點a、b處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使a和b兩端之間存在溫度差，于是在a和b之間出現(xiàn)熱擴散電流。在磁場的作用下，在c、e兩端出現(xiàn)了橫向電場，由此產生附加電勢差，記為Vn。其方向與Ih無關，只隨磁場方向而變。(3)里紀一勒杜克效應由于熱擴散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應中載流子速度不同一樣，也將形成一個橫向的溫度梯度，以產生附加電勢差，記為VRl。其方向只與磁場方向有關，且與Vh同向。2 .不等勢電勢差以及電壓輸入端引線在制作時不可能不等勢電勢差是由于霍耳元件的材料本身不均勻,IH流過霍耳元件時,絕對對稱地焊接在霍耳片的兩側所引起的，如圖所示。因此

10、，當電流在電極3、4之間也具有電勢差，記為V0,其方向只隨Ih方向不同而改變，與磁場方向無關。3 .副效應的消除根據以上副效應產生的機理和特點，除VE外，其余的都可利用異號法消除其影響，因6b33圖2能斯特效應圖3不等勢電勢差而需要分別改變Ih和B的方向，測量四組不同的電勢差，然后作適當?shù)臄?shù)據處理，而得到VH。取+B、+1H測得V=VhVeVnVrlVo取+B、-1H測得V2-Vh-VeVnVRl-Vo取一B、IH測得V3=VhVe-Vn-Vrl-Vo取B、十匕測得V4=-Vh-Ve-Vn-VrlVo消去Vn、Vrl和V0得1Vh(Vi-V2V3-V4)-Ve4因Ve=Vh,一般可忽略不計，所

11、以1 -Vh=-(Vi-V2+V3-V4)(7)本實驗要利用霍爾效應測量長直螺線管軸線上的磁感應強度。實驗內容1、掌握儀器性能，連接測試儀與實驗儀各組之間的連線(1)開關機前，測試儀的“1s調節(jié)”和“1M調節(jié)”旋鈕均置零位(即逆時針旋到底)。(2)連接測試儀和實驗儀之間各組的連線。2、繪Vh%曲線將測試儀的“功能切換”置Vh,取1M=0.600A,分別取1s=0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00mA,依次測量+IS,+B;+IS-B;-IS,-B;-IS,+B相應的Vh，值。3、測繪VH-IM曲線保持1s值不變(取1s=2.00mA),分別取1M=0.100,0.200,0.300,0.400,0.500,0.600A,依次測量+IS+B;+ISB；-IS,-B；-IS,+B相應的VH值。實驗數(shù)據處理d=0.50mmb=4.00mml=3.00mmB0=1、Im=0.600AB=0.600Im=Is/mAV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH,'+/mV4+B,+Is-B,+Is-B,Ts+B,-Is0.501.001.502.002.503.00以I為橫坐標，Vh為縱坐標作圖，求斜率k霍爾系數(shù)為kdRH-B判斷導電類型載流子濃度3二1n-8Re2、Is=2.00mAIm/AV1/mVV2