霍耳效应法测量磁场分布实验报告.doc

霍耳效应法测量磁场分布在XD-HRSZ1型磁场综合实验仪上进行霍尔元件为高灵敏度、高稳定度、高线性度的砷化镓霍尔元件，其额定工作电流为5mA，“电压表量程”应选“200mV”挡U1(mU)，U2(mU)，U3(mU)，U4(mU)，并据此计算UH(mU)，B(mT)。 关键词：霍尔效应 磁场分布 副效应 异号法 一，试验原理： （一）霍耳效应现象 将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B的磁场中，并让薄片平面与磁场方向（如Y方向）垂直。如在薄片的横向（X方向）加一电流强度为的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z方向将产生一电动势。 如图1-1所示，这种现象称为霍耳效应，称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压与电流强度和磁感应强度B成正比，与磁场方向薄片的厚度d反比，即 （1-1） 式中，比例系数R称为霍耳系数，对同一材料R为一常数。因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d也是一常数，故常用另一常数K来表示，有 （1-2） 式中，K称为霍耳元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳电压的大小。如果霍耳元件的灵敏度K知道（一般由实验室给出），再测出电流和霍耳电压，就可根据式 （1-3） 算出磁感应强度B。 图1-1 霍耳效应示意图 图1-2 霍耳效应解释 （二）霍耳效应的解释 现研究一个长度为l、宽度为b、厚度为d的N型半导体制成的霍耳元件。当沿X方向通以电流后，载流子（对N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流方向相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为 方向沿Z方向。在的作用下，电荷将在元件沿Z方向的两端面堆积形成电场（见图1-2），它会对载流子产生一静电力，其大小为 方向与洛仑兹力相反，即它是阻止电荷继续堆积的。当和达到静态平衡后，有，即，于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为 （1-4） 通过的电流可表示为 式中n是电子浓度，得 （1-5） 将式（1-5）代人式（1-4）可得 可改写为 该式与式（1-1）和式（1-2）一致，就是霍耳系数。（1）按图（1-5）连接电路，研究长直螺线管轴线上的磁场分布。要求工作电流调到5.00mA附近固定，并让A，在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时分别测试霍耳电压，记下和K的值，同时记录长直螺线管的参数包括编号、长度L、匝数N和平均半径R，均印在仪器线圈上，应全部作为原始数据进行记录。注意每台仪器的螺线管参数不一样。 （2）研究励磁特性。固定，将霍耳元件置于螺线管轴线上中点处，，改变，测量相应的。 （3）选做：研究特性。保持不变（例如），将霍耳元件置于螺线管轴线中心附近，改变，测量相应的。 （4）选做：利用异号法消除副效应，测量霍耳灵敏度K（设mA，A，mm）。 （5）选做：将霍尔元件标尺杆从线圈中拉出，不断改变霍尔元件的指向，观察能否测量地磁场的大小和方向。 【注意事项】 （1）霍耳元件质脆、引线易断，实验时要注意不要碰触或振动霍耳霍耳元件。 （2）霍耳元件的工作电流不要超过5.0mA，以免发热导致参数不稳定甚至烧毁霍尔元件。 （3）如果发现励磁电流异常增大到0.3A以上，应立即关闭仪器电源，再报告老师。 实验数据及分析1．数据记录参考表格 实验仪器编号：线圈匝数：N= ，线圈长度：L= ， 线圈平均直径：D= ，励磁电流：IM= ，霍尔灵敏度K= 245 mV/mA/T 霍耳工作电流：= 表1-1 螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差 零差（IM=0.000A时）：U01= ，U02= ，U03= ，U04= ， A(mm) 20.0 30.0 38.0 43.0 47.0 50.0 53.0 57.0 62.0 70.0 90.0 125.0 X(mm) 测量项目 -30.0 -20.0 -12.0 -7.0 -3.0 0.0 3.0 7.0 12.0 20.0 40.0 75.0 U1(mU) 0.1 0.3 0.7 1.4 2.5 3.3 4.3 5.5 6.3 6.7 7.0 7.1 U2(mU) -0.8 -0.9 -1.3 -