霍爾效應(yīng)測磁場實驗報告(完整資料)

【最新整理，下載后即可編輯】實驗報告學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師實驗地點：實驗時間：一、實驗室名稱：霍爾效應(yīng)實驗室二、實驗項目名稱：霍爾效應(yīng)法測磁場三、實驗學(xué)時：四、實驗原理：（一）霍耳效應(yīng)現(xiàn)象將一塊半導(dǎo)體（或金屬）薄片放在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，并讓薄片平面與磁場方向（如Y方向）垂直。如在薄片的橫向（X方向）加一電流強度為I的電流，那么在與磁場方向和電流方向垂直的Z方向?qū)a(chǎn)生一電動勢U。如圖1所示，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，U稱為霍耳電壓。H霍耳發(fā)現(xiàn)，霍耳電壓u與電流強度I和磁感應(yīng)強度B成正比，與磁場方向薄片的厚愛d反比，即HU二R空HU二R空Hd式中，比例系數(shù)R稱為霍耳系數(shù)，對同一材料R為一常數(shù)。因成品霍耳元件（根據(jù)霍耳效應(yīng)制成的器件）的d也是一常數(shù)，故R/d常用另一常數(shù)IK來表示，有U二KIB （2）式中，K稱為霍耳元件的靈敏度，它是一個重要參數(shù)，表示該元件在單位磁感應(yīng)強度和單位電流作用下霍耳電壓的大小。如果霍

耳元件的靈敏度IK知道（一般由實驗室給出），再測出電流I和H霍耳電壓U，就可根據(jù)式3）算出磁感應(yīng)強度B耳效應(yīng)示意圖圖2霍耳效應(yīng)解釋（二）霍耳效應(yīng)的解釋現(xiàn)研究一個長度為1、寬度為b、厚度為d的N型半導(dǎo)體制成的霍耳元件。當(dāng)沿X方向通以電流i后，載流子（對N型半導(dǎo)體是電子）e將以平均速度v沿與電流方向相反的方向運動，在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，電子將受到洛侖茲力的作用，其大小為f二evB方向沿Z方向。在f的作用下，電荷將在元件沿Z方向的兩端B面堆積形成電場E（見圖2），它會對載流子產(chǎn)生一靜電力f，HE其大小為 H E4）方向與洛侖茲力f相反，即它是阻止電荷繼續(xù)堆積的。當(dāng)f和f達到靜態(tài)平衡后，有f=f，即evB=eE=eU/b，于是電荷堆積的兩端面（Z方向）的電勢差為日4）U=vbB

通過的電流I可表示為HI=—nevbd式中n是電子濃度，得H5）V二———V二———H—nebd將式（5）代人式（4）可得IB二一一nedU二R^hb二KIB

H d H該式與式（1）和式（2）一致，R二—丄就是霍耳系數(shù)ne五、實驗?zāi)康模貉芯客娐菥€管內(nèi)部磁場強度六、實驗內(nèi)容：（一） 測量通電螺線管軸線上的磁場強度的分布情況，并與理論值相比較；（二） 研究通電螺線管內(nèi)部磁場強度與勵磁電流的關(guān)系。七、實驗器材：霍耳效應(yīng)測磁場裝置，含集成霍耳器件、螺線管、穩(wěn)壓電源數(shù)字毫伏表、直流毫安表等。八、實驗步驟及操作：（一）研究通電螺線管軸線上的磁場分布。要求工作電流I和勵磁電流I都固定，并讓\=500mA,逐點（約12-15個點）測試霍耳電壓u，記下I和K的值，同時記錄長直螺線管的長度和匝數(shù)等參數(shù)。1?接線：霍爾傳感器的1、3腳為工作電流輸入，分別接“IH輸出”的正、負端；2、4腳為霍爾電壓輸出，分別接“V輸入”H的正、負端。螺線管左右接線柱（即“紅”、“黑”）分別接勵磁

電流I的“正”、“負”，這時磁場方向為左邊N右邊S。M2、 測量時應(yīng)將“輸入選擇”開關(guān)置于“V”擋，將“電壓H表量程”選擇按鍵開關(guān)置于“200”mV擋，霍爾工作電流I調(diào)H到5.00mA，霍爾傳感器的靈敏度為：245mV/mA/T。3、 螺線管勵磁電流I調(diào)到“0A”，記下毫伏表的讀數(shù)V（此時勵磁電流為0，霍爾工作電流I仍保持不變）。 04、 再調(diào)輸出電壓調(diào)節(jié)鈕使勵磁電流為/=500mA。5、 將霍耳元件在螺管線軸線方向左右調(diào)節(jié)，讀出霍耳元件在不同的位置時對應(yīng)的毫伏表讀數(shù)V，對應(yīng)的霍耳電壓V=V-V?；魻杺鞲衅鳂?biāo)尺桿坐標(biāo)x=0.0mm對準讀數(shù)環(huán)時，表示霍爾傳感器正好位于螺線管最左端，測量時在0.0mm左右應(yīng)對稱地多測幾個數(shù)據(jù)，推薦的測量點為x=-30.0、-20.0、-12.0、-7.0、-3.0、0.0、3.0、7.0、12.0、20.0、40.0、75.0mm。（開始電壓變化快的時候位置取密一點，電壓變化慢的時候位置取疏一點）。6、 為消除副效應(yīng)，改變霍耳元件的工作電流方向和磁場方向測量對應(yīng)的霍耳電壓。計算霍爾電壓時，V、V、V、V方向1234的判斷：按步驟（4）的方向連線時，I、I換向開關(guān)置于“o”（即“+”）時對應(yīng)于丫（+B、+【丿，其余狀態(tài)依次類推?；魻栯妷旱挠嬎愎绞荲二（V-V+V-V4）^4。7、實驗應(yīng)以螺線管中心處（x3~75mm）的霍爾電壓測量值與理論值進行比較。測量B~I關(guān)系時也應(yīng)在螺線管中心處測量霍M爾電壓。B二比n/B二比n/（cos卩廠cos卩）（參見教材實驗0p.152公式3-16-6）計算,即B="0N【\_X丄_L-x1，計算各測量點的理論值，并繪理出BI~X2曲D/與Bf-沁曲線丿誤差分析時分析兩曲線不能

吻合的原因。如只計算螺線管中點和端面走向上的磁場強度，公式分別簡化為b-上。N【、B-^oNI ，分析這兩點B、與實測不能吻合的理原因。D2理2弋匕+D2/4 理論9、在坐標(biāo)紙上繪制B?X曲線，分析螺線管內(nèi)磁場的分布規(guī)二）研究勵磁特性。固定i和霍耳元件在軸線上的位置（如在螺線管中心），改H

變I，測量相應(yīng)的U。M將霍耳元件調(diào)至螺線管中心處（x~75mm）,調(diào)穩(wěn)壓電源輸出電壓調(diào)節(jié)鈕使勵磁電流在0mA至600mA之間變化，每隔100mA測一次霍耳電壓（注意副效應(yīng)的消除）。繪制I?B曲線,分析勵磁電流與磁感應(yīng)強度的關(guān)系。九、實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：1、計算螺線管軸線上磁場強度的理論值B理實驗儀器編號：6 ，線圈匝數(shù)：N=1535匝,線圈長度:L=150.2mm,線圈平均直徑：D=18.9mm，勵磁電流：1=0.500A，霍爾靈敏度K二245mV/—x二L/2=75.1mm時得到螺線管中心軸線上的磁場強度:4X3.142X10乂1535X0.5°0=$37何)；「0.15022+0.01892卩NI0=x=0或x=卩NI0=4x3.142x10-41535x0.500B= 0 = =3.20(mT)2\：L+D2/4 2^0.15022+0.01892/4同理，可以計算出軸線上其它各測量點的磁場強度。2、螺線管軸線上各點霍爾電壓測量值和磁場強度計算值及誤差B、I宀方向、mm）30.020.01(?.7.0「30.0°.03.072.010#40.(y5.07十B、+IH0.30.10.00.41.12.13.34.55.76.57.07.37.4十B、-IH-0.40.80.91.42.03.14.25.46.67.37.88.08.1B、--IH-0.40.20.30.61.32.33.44.65.86.56.97.27.3

B、-+IH0.30.40.51.01.72.73.95.16.37.17.67.88.0V(mV一一0013456677)0.40.3.1.8.8.0.2.4.2.7.0.1V(mV)0.40.51.01.62.73.85.06.26.97.47.67.7V(mV0.0.1123566777)67.0.7.7.8.0.2.9.3.6.7V(mV)0.70.81.32.03.04.25.46.67.47.98.18.3V(m0.0.0123466777vh3343.85.53.55.70.90.10.85.33.58.700.0.0123445566B(mT)2735.69.24.08.02.00.98.59.98.18.29B0.0.0123455666理(mT)1430.68.29.23.20.18.11.73.11.32.37B-B0.0.0(mT)理1204.010.050.150.180.180.140.130.130.140.0981誤相對4.34.613.86.85.74.22.62.32.12.21.3誤^差.6%%%%%%%%%%%%3、不同勵磁電流下螺線管中點霍爾電壓測量值和磁場強度TOC\o"1-5"\h\z零差（I=0.000A時）:V= 0.3mV ,V= -0.4mV ,V=M 01 02 03-0.4mV ,V= 0.3mV040°°00.10卜00300.4V(mV)10.31.42.84.35.77.48.50.01.12.54.05.47.18.2V(mV)2-0.4-1.5-3.1-4.6-6.2-8.1-9.20.0-1.-2.-4.-5.-7.7-8.8

1728-0.1.53.14.66.27.39.2V(mV)340.01.93.55.06.67.79.6-1.-3.-5.-6.-10.0.37306-8.00V(mV)40.0-2.-3.-5.-6.-8.3-10.06393V(mV0.01.53.04.66.17.709.24H04826B(mT)0.01.22.53.75.0061736.297.544、螺線管軸線上的磁場強度分布圖（注：理論曲線不是必作內(nèi)容）5、螺線管中點磁場強度隨勵磁電流的變化關(guān)系圖6、誤差分析：(只列出部分，其余略)B~x曲線與B~x曲線，不能吻合的原因主要是：理論測量螺線管中部不吻合是由于霍爾靈敏度K存在系統(tǒng)誤差，可以通過與實驗數(shù)據(jù)比較進行修正。霍爾靈敏度K修正后，螺線管兩端處的磁場強度的測量值一般偏低，原因是霍爾傳感器標(biāo)尺桿越往外拉，就越傾斜，由于磁場沒有完全垂直穿過霍爾傳感器，檢測到的霍爾電壓就會下降。x=-30.0mm處磁場強度的測量值一般偏高，因為這里可能螺線管產(chǎn)生的磁場已經(jīng)很弱，主要是地磁和其它干擾磁場引起檢測到的霍爾電壓增大。十、實驗結(jié)論：1、 在一個有限長通電螺線管內(nèi)，當(dāng)L>>R時，軸線上磁場在螺線管中部很大范圍內(nèi)近于均勻，在端面附近變化顯著。2、 通電螺線管中心軸線上磁場強度與勵磁電流成正比。十一、總結(jié)及心得體會：1、霍耳元件質(zhì)脆、引線易斷，實驗時要注意不要碰觸或振動霍耳元件。2、霍耳元件的工作電流I有一額定值，超過額定值后會因發(fā)熱而燒毀，實驗時要注意實驗室給出的額定值，一定不要超過。