霍耳效应法测量磁场分布实验报告

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1、霍耳效应法测量磁场分布实验研究摘要：运用霍尔效应进行磁场测量。此试验在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，在此情况下测量霍尔电压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中图分类号：0753+文献标识码：A文章编号：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

2、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

3、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

4、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。二，试验步骤：（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

5、。（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

6、立即关闭仪器电源，再报告老师。三，实验数据及分析1．数据记录参考表格实验仪器编号：091213线圈匝数：N=3520，线圈长度：L=152.2mm，线圈平均直径：D=19.3，励磁电流：IM=0.2，霍尔灵敏度K=245mV/mA/T霍耳工作电流：=5mA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=o.5，U02=-0.6，U03=-o.6，U04=0.6，A(mm)20.030.038.043.047.050.053.057.062.070.090.0125.0X(mm)测量项目-30.0-20.

7、0-12.0-7.0-3.00.03.07.012.020.040.075.0U1(mU)0.60.81.22.03.13.94.96.16.97.37.67.70.10.30.71.42.53.34.35.56.36.77.07.1U2(mU)-0.8-0.9-1.3-2.0-3.1-3.9-5.1-6.2-6.9-7.3-7.6-7.7-0.2-0.3-0.7-1.5-2.6-3.4-4.6-5.7-6.4-6.8-7.1-7.2U3(mU)-0.6-0.20.10.72.12.94.15.15.76.26.56.700.40.71.32.73.5

8、4.75.76.36.87.17.3U4(mU)0.50.2-0.1-0.7-2.0-2.9-