霍爾效應(yīng)測量磁場

1、霍爾效應(yīng)測量磁場第1頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY一. 霍爾效應(yīng)測量磁場 第2頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY 在工業(yè)、國防、科研中都需要對磁場進行測量,測量磁場的方法有多種,如沖擊電流計法、核磁共振法、天平法、電磁感應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法等. 本實驗介紹霍爾效應(yīng)法測磁場測量原理簡單

2、、方法簡便、測試靈敏度較高第3頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY一.實驗?zāi)康牧私饣魻栃?yīng)原理及霍爾元件有關(guān)參數(shù)的含義和作用了解載流線圈的徑向磁場分布情況測量載流亥姆霍茲線圈的軸線上的磁場分布,進一步掌握磁場疊加知識第4頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY二.實驗原理1. 霍爾效應(yīng) 帶電

3、粒子在磁場中運動,受洛侖茲力的作用而引起偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫電場。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向通以電流Is（稱為工作電流），假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿著與電流Is相反的X負向運動 。第5頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY 電子積累達到動態(tài)平衡時,在A、B兩端面之間建立的電場稱為霍爾電場

4、EH，相應(yīng)的電勢差稱為霍爾電勢VH 磁場B下，電子受洛侖茲力： fL=evB 電場E下，作用于電子的力：fE=-eEH=-eVH /l動態(tài)平衡時: f L=f E vB=VH /l (1)則霍爾元件的工作電流為: Is=nevld (2) (3)v:電子速度, n:載流子濃度, l:霍爾元件寬度, d:霍爾元件厚度本實驗中 d = 0.2mm，l = 1.5mm， L = 2.5mm第6頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY RH=l/ne

5、稱為霍爾系數(shù) 當(dāng)霍爾元件 d 和 l 確定時，元件的靈敏度KH KH=RH/d=l/ned VH=KHISB - 對于半導(dǎo)體材料，在弱磁場下,引入一個修正因子 則 材料的電導(dǎo)率 ，得到 第7頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY注意：當(dāng)磁感應(yīng)強度B和元件平面法線成一角度時，作用在元件上的有效磁場是其法線方向上的分量Bcos 則 VH=KHISBcos 使用時應(yīng)調(diào)整元件兩平面方位，使VH達到最大,=0 則 VH=KHISBcos=KHISB第8

6、頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY 當(dāng)工作電流Is或磁感應(yīng)強度B，兩者之一改變方向時，霍爾電勢VH方向隨之改變；若兩者方向同時改變，則霍爾電勢VH極性不變霍爾元件測量磁場的基本電路 將霍爾元件平面與待測磁場的磁感應(yīng)強度B垂直，控制端輸入恒定的工作電流Is，霍爾電勢輸出端接毫伏表，測量霍爾電勢VH的值第9頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG U

7、NIVERSITYPHYSICS LABORATORY實驗系統(tǒng)誤差及其消除 測量霍爾電勢VH時，會產(chǎn)生一些副效應(yīng)，產(chǎn)生的附加電勢疊加在霍爾電勢上，形成測量系統(tǒng)誤差（1）不等位電勢V0 引線不對稱的焊在霍爾片兩側(cè), 霍爾片電阻率不均勻、控制電流極 的端面接觸不良. 兩極不是等位面 存在電勢差V0IsR0 稱不等位電勢， R0 是兩等位面間的電阻 R0 確定時: V0與Is的大小成正比 其正負隨Is的方向而改變第10頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORA

8、TORY（2）愛廷豪森效應(yīng) 當(dāng)元件X方向通工作電流 Is，Z方向加磁場B時，由于片內(nèi)的載流子速度服從統(tǒng)計分布，有快有慢。在到達動態(tài)平衡時，在磁場的作用下慢速快速的載流子將在洛侖茲力和霍耳電場的共同作用下，沿 Y 軸分別向相反的兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，這些載流子的動能將轉(zhuǎn)化為熱能，使兩側(cè)的溫升不同，因而造成Y方向上的兩側(cè)的溫差（TATB）。因為霍爾電極和元件兩者材料不同，電極和元件之間形成溫差電偶，這一溫差在A、B間產(chǎn)生溫差電動勢VE，VEIB。 稱愛廷豪森效應(yīng)，VE的大小與正負符號與I、B的大小和方向有關(guān)，跟VH與I、B的關(guān)系相同，不能在測量中消除 第11頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期

9、四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY（3）倫斯脫效應(yīng) 由于控制電流的兩個電極與霍爾元件的接觸電阻不同，控制電流在兩電極處將產(chǎn)生不同的焦耳熱，引起兩電極間的溫差電動勢，此電動勢又產(chǎn)生溫差電流（稱為熱電流）Q，熱電流在磁場作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在Y方向上產(chǎn)生附加的電勢差VN，且VNQB這一效應(yīng)稱為倫斯脫效應(yīng)，由上式可知VN的符號只與B的方向有關(guān)。正電子運動平均速度（ 圖中VV） 第12頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOG

10、Y, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY（4）里紀(jì)杜勒克效應(yīng) 霍爾元件在X方向有溫度梯度的dT/dX，引起載流子沿梯度方向擴散而有熱電流Q通過元件，在此過程中載流子受Z方向的磁場B作用下，在Y方向引起類似愛廷豪森效應(yīng)的溫差TATB，由此產(chǎn)生的電勢差VRQB，其符號與B的方向有關(guān)，與Is的方向無關(guān)。 為了減少和消除以上效應(yīng)的附加電勢差，利用這些附加電勢差與霍爾元件工作電流Is，磁場B（即相應(yīng)的勵磁電流IM）的關(guān)系，采用對稱（交換）測量法進行測量 第13頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNO

11、LOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY 當(dāng)+IS，+IM時 VAB1 +VH+V0+VE+VN+VR 當(dāng)+IS， -IM時 V AB2 -VHV0-VE-VN-VR 當(dāng)- IS， -IM時 V AB3 +VH-V0+VE-VN-VR 當(dāng) -IS，+IM時 V AB4 -VH-V0-VE+VN+VR對以上四式作如下運算則得： （VAB1VAB2+VAB3VAB4）VHVE 可見，除愛廷豪森效應(yīng)以外的其他副效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差會全部消除，因愛廷豪森效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢差VE的符號和霍爾電勢VH的符號，與IS及B的方向關(guān)系相同，故無法消除，但在非大電流、非強磁

12、場下，VHVE，因而VE可以忽略不計，由此可得：VHVHVE= 第14頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY2. 載流圓線圈與亥姆霍茲線圈的磁場 (1)載流圓線圈磁場 根據(jù)畢奧薩伐爾定律，載流線圈在軸線（通過圓心并與線圈平面垂直的直線上某點的磁感應(yīng)強度為： I 為通過線圈的電流強度 R 為線圈平均半徑 X 為圓心到該點的距離 N0 為線圈的匝數(shù) 0為真空磁導(dǎo)率 第15頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INST

13、ITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY (2)亥姆霍茲線圈 兩個完全相同的圓線圈彼此平行且共軸,通同方向電流I,兩線圈間的距離等于線圈半徑R,兩線圈合磁場在中心軸上磁場是均勻的,這一對線圈稱為亥姆霍茲線圈 設(shè)x為亥姆霍茲線圈中軸線上某點離 中心點O處的距離，則亥姆霍茲線圈 軸線上任點的磁感應(yīng)強度為： 亥姆霍茲線圈軸線上中心O處磁感應(yīng)強度BO為： 亥姆霍茲線圈磁場分布圖 第16頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIV

14、ERSITYPHYSICS LABORATORY三.實驗儀器DH4501B型 三維亥姆霍茲線圈磁場實驗儀第17頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY實驗儀接線面板圖第18頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY四.實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)記錄 測量單個載流圓線圈A軸線上(X向)磁場B1 的分布 (1)用

15、連接線將勵磁電流IM輸出端連接到圓線圈A，霍爾傳感器的信號連接線連接到面板的對應(yīng)插座上。 (2)開機預(yù)熱10分鐘, 調(diào)節(jié)IM=0.000A, 特斯拉磁場計調(diào)零 (3)調(diào)節(jié) Is=5.00mA, IM=0.5A, 移動X向?qū)к壔瑝K,每10mm間隔記錄軸線上各點的霍爾電壓VH (4)根據(jù)公式 B=VH(KHIS) 計算出各點的磁感應(yīng)強度B， 繪出B1X圖，即圓線圈軸線上B的分布圖。 * KH值 標(biāo)在每臺儀器上第19頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORAT

16、ORY表1 B1X IS=5.00mA IM=0.5AX（mm）V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV) (mV) B1(mT)+Is、+IM +Is、-IM-Is、-IM-Is、+IM-120-110-100-90010205060第20頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY測量單個載流圓線圈B軸線上(X向)磁場B2的分布(1) 用連接線將勵磁電流IM輸出端連接到圓線圈B，霍爾傳感器的信號連接線連接到面板的對應(yīng)插座。(2) 霍爾元件

17、置于亥姆霍茲線圈軸線上，x導(dǎo)軌為-60mm，y導(dǎo)軌為0mm，移動X向?qū)к?，測量單個圓線圈B通電時，軸線上的各點處的霍爾電壓，可以每隔10mm測量一個數(shù)據(jù)，直至x導(dǎo)軌坐標(biāo)為120mm。(3) 將測量的數(shù)據(jù)記錄在表格中，再根據(jù)公式計算出軸線上（X向）各點的磁感應(yīng)強度B，并繪出B2X圖，即圓線圈軸線上B的分布圖。第21頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY表2 2X IS =5.00mA IM =0.5AX（mm）V1(mV)V2(mV)V3(mV

18、)V4(mV) (mV)B 1(mT)+Is、+IM +Is、-IM-Is、-IM-Is、+IM-60-50-20-1001020110120第22頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY3. 測量亥姆霍茲線圈軸線上磁場BR的分布(1)調(diào)整亥姆霍茲線圈間距R=100mm，Y向?qū)к墶向?qū)к壷糜?(2)將線圈A和B同向串聯(lián)， 并通入勵磁電流IM 及其他必須的電流(3)用短接線將數(shù)顯毫伏表輸入端短接，調(diào)節(jié)IS、IM電流均為零，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器

19、旋鈕，使毫伏表顯示為0(4)調(diào)節(jié)IS=5.00mA，勵磁電流IM=0.5A，移動X向?qū)к壱?0mm為間隔距離,測量通電亥姆霍茲線圈軸線上的霍爾電壓，數(shù)據(jù)記錄在表格3,計算出各點的磁感應(yīng)強度B,并繪出BX圖第23頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORYX（mm）V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV) (mV)BR(mT)+Is、+IM +Is、-IM-Is、-IM-Is、+IM120100806040200-20-40-60-120表3

20、 RX IS =5.00mA IM =0.5A第24頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY4. 比較和驗證磁場疊加的原理 將表1和表2的B1、B2數(shù)據(jù)按X向的坐標(biāo)位置相加，得到B1+B2,將B1 、B 2 、B1+B2數(shù)據(jù)繪制在一起并與表的BR數(shù)據(jù)比較5. 測量亥姆霍茲線圈Y方向上磁場分布 x向?qū)к壷?,調(diào)節(jié)IM=0.5A,Is=5.00mA,移動Y向?qū)к壱?0mm為間隔距離,測量磁場數(shù)據(jù),繪出B-Y曲線(表格自擬) 最后,分析總結(jié)通電線圈軸

21、線上各點磁感應(yīng)強度的分布規(guī)律 第25頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY二. 電子元件的判別與整流器組裝第26頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY 整流電路（rectifying circuit）把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。電源電路中的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三

22、種。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波電路等組成。整流以后的電壓是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓，稱單向脈動性直流電壓。再經(jīng)濾波電路，將大部分高頻交流成分濾去，得到較為穩(wěn)定的直流電。 第27頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY一 設(shè)計任務(wù)使用萬用表判別電子元器件設(shè)計組裝整流濾波電路第28頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIV

23、ERSITYPHYSICS LABORATORY二 設(shè)計要求用萬用表判別盒內(nèi)電學(xué)元件按設(shè)計電路用導(dǎo)線連接成半波整流電路,信號發(fā)生器接整流電路輸入,示波器顯示負載上波形,用萬用表測出輸出電壓峰值平均值U0 ,測出變壓器次級電壓的有效值U2 將上述電路分別改為全波整流加電容濾波電路和橋式整流加型濾波電路,重復(fù)上述實驗在橋式整流加型濾波電路中的濾波電阻與負載電阻對換,觀察變化,并討論第29頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY三 實驗儀器YB434

24、0G雙蹤示波器DF1631L功率函數(shù)信號發(fā)生器500HA型萬用表判別暗盒第30頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY四 實驗記錄1 元件判別記錄 。 。 。在圖上畫出相鄰兩接線柱間的元件符號：變壓器（中心抽頭）、電容（極性）、電阻（阻值）及二極管（導(dǎo)電方向）2 設(shè)計、組裝電路,分別畫出輸入輸出波形半波整流電路 全波整流電路和加電容濾波電路 全波橋式整流電路和加接型濾波電路 第31頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGB

25、O INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY3 測量記錄半波整流全波整流全波整流加電容濾波橋式整流橋式整流加型濾波直流輸出電壓U0交流輸入電壓U2用萬用表直流檔測出負載電阻上壓降U0萬用表功能檔測出變壓器次級電壓的有效值U2第32頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY附：電子整流電路是電子線路的基本線路之一,在穩(wěn)壓電源、信號處理等電路中有廣泛應(yīng)用。半波整流電路第33頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITYPHYSICS LABORATORY全波整流電路和加接電容濾波電路第34頁，共37頁，2022年，5月20日，2點0分，星期四NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZH