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实验十霍耳效应的研究.pptx


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实验十霍耳效应的研究
霍耳元件因其体积小,使用简便,测量准确度高,可测量交、直流磁场等优点,得到了广泛的应用。配以其他装置可用于位置、位移、转速、角度等物理量的测量和自动控制。
本实验要求学****者深入了解霍耳效应的基本原理;学会霍耳元件灵敏度的测量方法;应用霍耳元件测量磁场。
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【实验目的】
1、了解霍耳效应的基本原理,测量霍耳元件的
灵敏度;
2、学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。
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【实验原理】
1、霍耳效应
霍耳电势差是这样产生的:当电流IH通过霍耳元件(假设为P型)时,空穴有一定的漂移速度υ,垂直磁场对运动电荷产生一个洛伦兹力。
FB=q(υ×B)(1)
式中q为电子电荷,洛伦兹力使电荷产生横向的偏转,由于样品有边界,所以有些偏转的载流子将在边界积累起来,产生一个横向电场E,直到电场对载流子的作用力FE=qE磁场作用的洛伦兹力相抵消为止,即
q(υ×B)=qE(2)
图1霍耳效应简图
这时电荷在样品中流动时将不再偏转,霍耳电势就是由这个电场建立起来的。如果是N型样品,则横向电场与前者相反,所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号,据此可以判断霍耳元的导电类型。设P型样品的载流子浓度为p,宽度为ω,厚度为d,通过样品电流IH=pqυωd,则空穴的速度υ=IH/pqωd代入(2)式有:E=┃υ×B┃=IHB/pqωd(3)上式两边各乘以ω,便得到UH=Eω=IHB/pqd=RH×IHB/d(4)RH=1/pq称为霍耳系数,在应用中一般写成UH=IHKHB(5)
比例系数KH=RH/d=1/pqd称为霍耳元件灵敏度,单位为mV/(mA·T),一般要求KH愈大愈好。KH与载流子浓度p成反比,半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小,所以都用半导体材料作为霍耳元件。与KH厚度d成反比,所以霍耳元件都做得很薄,。
由公式(5)可以看出,知道了霍耳片的灵敏度KH,只要分别测出霍耳电流IH及霍耳电势差UH就可算出磁场B的大小,这就是霍耳效应测磁场的原理。
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【实验原理】
2、用霍耳元件测磁场
磁感应强度的计量方法很多,如磁通法、核磁共振法及霍耳效应法等。其中霍耳效应法具有能测交直流磁场,简便、直观、快速等优点,应用最广。
如图2所示。直流电源E1为电磁铁提供励磁电流IM,通过变阻器R1,可以调节IM的大小。电源E2通过可变电阻R2(用电阻箱)为霍耳元件提供霍耳电流IH,当E2电源为直流时,用直流毫安表测霍耳电流,用数字万用表测量霍耳电压;当E2为交流时,毫安表和毫伏表都用数字万用表测量。
半导体材料有N型(电子型)和P型(空穴型)两种,前者载流子为电子,带负电;后者载流子为空穴,相当于带正电的粒子。由图可以看出,若载流子为电子则4点电位高于3点电位,UH3·4<0;若载流子为空穴则4点电位低3点电位的,电位于UH3·4>0,如果知道载流子类型则可以根据UH的正负定出待测磁场的方向。
由于霍耳效应建立电场所需时间很短(经10-12--10-14s),因此通过霍耳元件的电流用直流或交流都可以。若霍耳电流IH=I0sinωt,则
UH=IHKHB=I0KHBsinωt(6)
所得的霍耳电压也是交变的。在使用交流电情况下(5)式仍可使用,只是式中的IH和UH应理解为有效值。
E1
K1
R1
K3
E2
K2
R2
图2测量霍耳电势差电路
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【实验原理】
3、消除霍耳元件副效应的影响
在实际测量过程中,还会伴随一些热磁副效应,它使所测得的电压不只是UH,还会附加另外一些电压,给测量带来误差。
这些热磁效应有埃廷斯豪森效应,是由于在霍耳片两端有温度差,从而产生温差电动势UE,它与霍耳电流IH、磁场B方向有关;能斯特效应,是由于当热流通过霍耳片(如1,2端)在其两侧(3,4端)会有电动势UN产生,只与磁场B和热流有关;里吉-勒迪克效应,是当热流通过霍耳片时两侧会有温度产生,从而又产生温差电动势UR,它同样与磁场B热场有关。
除了这些热磁副效应外还有不等位电势差U0。它是由于两侧(3,4)的电极不在同一等势面上引起的。当霍耳电流通过1,2端时,即使不加磁场,3和4端也会有电势差U0产生,其方向随电流IH方向而改变。
因此,为了消除副效应的影响,在操作时需要分别改变IH的方向和B的方向,记下四组电势差数据(K1,K2换向开关“上”为正):
当IH正向,B为正向时,U1=UH+U0+UE+UN+UR,
当IH负向,B为正向时,U2=-UH-U0-UE+UN+UR
当IH负向,B为负向时,U3=UH-U0+UE-UN-UR
当IH正向,B为负向时,U4=-UH+U0-UE-UN-UR
作运算,U1-U2+U3-U4并取平均值,有
1/4(U1-U2+U3-U4)=UH+UE(7)
由于UE方向始终与UH相同,所以换向法不能消除它,但一般UE«UH,故可以忽略不计,于是
UH=1/4(U1-U2+U3-U4)(8)
在实际使用时,上式也可写成
UH=1/4(|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)(9)
其中UH符号由霍耳元件是P型,还是N型决定。
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【实验仪器】
图一为实验仪器外形图,图二为仪器接线图。
图一仪器外型图
图二仪器接线图
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【实验内容】
一、必做实验,直流磁场情况下的霍耳效应与霍耳元件的灵敏度测量
1、测量霍耳电流IH与霍耳电压UH的关系。
将霍耳片置于电磁铁中心处,按图二接好电路图。霍耳元件的1、3脚接工作电压,2、4脚测霍耳电压。励磁电流IM=。调节霍耳元件的工作电源的电压,、、、、,每次消除副效应。作UH-IH图,验证IH与UH的线性关系。
2、测量***化镓霍耳元件的灵敏度KH
学会数字式特斯拉计的使用。特斯拉计是利用霍耳效应制成的磁感应强度测试仪。本数字式特斯拉计由极薄的半导体***化镓材料制成。较脆、请勿用手折碰,操作时须小心。
。由1,3端输入。、、、…、(5)算出该霍耳元件的灵敏度。(N型霍耳元件灵敏度为负值)。
3、在测得***化镓霍耳元件灵敏度后,用该霍耳元件测电磁间隙中磁感应强度B。霍耳电流保持在IH=1mA。改变励磁电流以从0-,。作B-IM曲线。测得霍耳电压时要消除副效应。
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【实验内容】
二、选做实验:测量电磁铁磁场沿水平方向分布
调节支架旋钮,使霍耳元件从电磁铁左端处移到右端。固定励磁电流在IM=,霍耳电流IH=1mA,磁铁间隙中磁感应强度由数字式特斯拉计测量,X位置由支架上水平标尺上读得,测量磁场随水平X方向分布B-X曲线。(磁场随方向分布不必考虑消除副效应)。
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【注意事项】
1、仪器应预热15分钟,待电路接线正确,方可进行实验。
2、直流稳流电源(0-500mA)与电磁铁相接,直流稳压电源用于提供霍耳元件工
作电流(0-5mA),相互不能互换。接错时,易将霍耳元件超过工作电流损坏。
3、霍耳元件易碎,引线也易断,不可用手折碰。***化镓元件通过电流小于5mA,
使用时应细心。
4、电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长,否则线圈易发热,影响实验结果。励磁
,用外接其电流电源时须注意。
5、要注意接线时,防止直流稳流源和直流稳压源短路或过载,以免损坏电源。
6、实验时注意不等位效应的观察,设法消除其对测量结果的影响。
7、判断霍耳元件是否为N型半导体,可根据实验电路的电源正负和数字电压表极
性。当已知加在1,3脚两电极间电位差的正负符号,并观测2,4脚实验结果电
极正负。从判断正确中加深对霍耳效应的理解。
8、霍耳元件通过电流IH不得超过5mA,,以保证元件
不会损坏及电磁铁升温较小。
9、实验数据测量时,待测样品和数字式毫特仪探头应放在均匀磁场区。
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