实验16用霍尔效应法测量磁场
在工业生产和科学研究中,经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量,被测磁场的范围可从f6579d65ea9d8cbfb4b8f65453dc93b6.png
一般地,霍尔效应法用于测量d651e525099a0d8d5a3569e373fc1e44.png
用半导体材料制成的霍尔器件,在磁场作用下会出现显着的霍尔效应,可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型(8d9c307cb7f3c4a32822a51922d1ceaa.png
【实验目的】
1. 了解霍尔效应产生的机理。
2. 掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。
3. 学习消除伴随霍尔效应的几种副效应对测量结果影响的方法。
4. 研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。
【仪器用具】
TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪、TH-S型螺线管磁场实验仪。
【实验原理】
1. 霍尔效应产生的机理
置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场方向垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场,载流体的两侧会产生一电位差,这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879年发现的,后被称为霍尔效应,所产生的电位差称为霍尔电压。特别是在半导体样品中,霍尔效应更加明显。
霍尔电压从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子和空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的积累,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场。对于图1-1(a)所示的8d9c307cb7f3c4a32822a51922d1ceaa.png
68cbac776f2c43620b9e33f0a097a4d7.png
则在57cec4137b614c87cb4e24a3d003a3e0.png
当628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
当628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
显然,该电场是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受到的横向电场力ad3f66285bbeab99972432f4da3b7474.png
2c19f316d53f9dc7f5bad77c01956030.png
其中be3ae826bd35a8db761ab7daee9f585a.png
设试样的宽为92eb5ffee6ae2fec3ad71c777531578f.png
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而霍尔电压7de921fcba1f156f85c8d0016e75cd75.png
1a4a8ab5da40525805b43dad30893aa7.png
即霍尔电压83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
9d512d67dbef7bd5816f589edfa66318.png
上式中的033f7f4c3eb918d9336804647277a218.png
根据934087bbe17adae2b5ac9639ead5f0f7.png
1. 由934087bbe17adae2b5ac9639ead5f0f7.png
判断的方法是按照图1-1所示的628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
2. 由934087bbe17adae2b5ac9639ead5f0f7.png
即ad136d5ed26441f6b8fa0c315eb50a41.png
3. 结合电导率的测量,求载流子的迁移率a1155692e3f69913320174f980c7eaf1.png
电导率3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png
a4f48fb5ac51c027ccc961ba0201ecb8.png
即289727c423fa87ecb40dbe46e1f4db6e.png
综上所述,要得到大的霍尔电压,关键是要选择霍尔系数大(即迁移率a1155692e3f69913320174f980c7eaf1.png
db6808059fa68608c5871fea8fe30ded.png
来表示器件的灵敏度,这样(1-4)式写成:
b2a91e7cf70f97bf094da6f416e76fd3.png
式中,afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png
由(1-8)式有:
12a96e64d791d52d168ae64b35dcd9c9.png
由(1-9)式可知,如果知道了霍尔器件的灵敏度afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png
由于霍尔效应的建立需要的时间很短(约在9bd91b0b62174a7bc2e1313d8e9d4ff0.png
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所得的霍尔电压也是交变的。这时的628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
2. 霍尔电压83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
应该说明,在产生霍尔效应的同时,因伴随着多种副效应,以致实验测得的7fc56270e7a70fa81a5935b72eacbe29.png
+628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
+628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
-628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
-628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
然后求上述四组测量数据15df402d99d5ae494c0eec6b149b3dd9.png
38cdf011e3c354b865c72b0b467558d3.png
根据对称测量法求得的83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
(1-9)、(1-11)两式就是本实验用来测量磁感应强度的依据。
3. 电导率3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png
3122c41ebe889f745cb9bbe1c92165c3.png
1efbd84e3dd287c68e56910f9c66d509.png
4. word/media/image65.gif载流长直螺线管内的磁感应强度
螺线管是由绕在圆柱面上的导线构成的,对于密绕的螺线管,可以看成是一列有共同轴线的圆形线圈的并列组合,因此,一个载流长直螺线管轴线上某点的磁感应强度,可以从对各圆形电流在轴线上该点所产生的磁感应强度进行积分求和得到:
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式中,16430961b2d842b4c530682c8c7eeb25.png
由图1-2所示的长直螺线管的磁力线分布可知,其内腔中部磁力线是平行于轴线的直线系,图1-2长直螺线管的磁力线分布图
渐近两端口时,这些直线变为从两端口离散的曲线,说明其内部的磁场是均匀的,仅在靠近两端口处,才呈现明显的不均匀性,根据理论计算,长直螺线管一端的磁感应强度为内腔中部磁感应强度的1/2,即:
da285cb452e95c38480fae25b2404dd7.png
对于一个有限长的螺线管,其内轴线上任一点44c29edb103a2872f519ad0c9a0fdaaa.png
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当螺线管的长度d20caec3b48a1eef164cb4ca81ba2587.png
946cf0ceafba487f864f9a5fbb1c7ae4.png
这时,螺线管内部磁场的计算与无限长螺线管情况一致。
在实验装置中,霍尔器件被封装在一个黑色塑料保护壳内并连接在一金属探杆上,可沿螺线管轴线移动(霍尔器件平面与磁场方向垂直),转动霍尔器件探杆支架的旋纽c264bdb22a754961ef6021b6c1914161.png
word/media/image79.gif【仪器介绍】
1. TH-S型螺线管磁场实验仪
TH-S型螺线管磁场实验仪结构如图1-3所示,主要由三部分组成:
(1) 长直螺线管
螺线管由漆包铜线密绕而成的,管的长度927d03dc615a4c0ef7f1e96076c9d79f.png
(2) 霍尔器件和调节机构
word/media/image81.gif霍尔器件如图1-4所示,它有两对电极,7fc56270e7a70fa81a5935b72eacbe29.png
霍尔器件的灵敏度afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png
如图1-3所示,探杆固定在二维(02129bb861061d1a052c592e2dc6b383.png
探杆中心轴线与螺线管内孔轴线的位置,应使之重合。
02129bb861061d1a052c592e2dc6b383.png
实验时如想使霍尔探头从螺线管的右端移至左端,为调节顺手,应先调节c264bdb22a754961ef6021b6c1914161.png
霍尔探头位于螺线管的右端、中心、左端时,测距尺指示为
(3) 换向开关
实验仪上有工作电流628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
2. TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪
TH-H/S型霍尔效应/螺线管磁场测试仪面板图如图1-5所示:
(1) 628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
霍尔器件工作电流源,输出电流0—10mA,通过628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(2) a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png
螺线管励磁电流源,输出电流0—1A,通过a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png
上述两组恒流源读数可通过“测量选择”按键共用一只3位半的LED数字电流表显示,按键按键按下时是测量a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png
(3) 直流数字电流表
3位半的LED数字毫伏表,供测量霍尔电压用,电压表零位可通过面板左下方调零电位器旋纽进行校正。
【实验内容与要求】
1. 霍尔器件输出特性测量
(1) 将测试仪面板上的“628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(2) 仪器开机前应将“628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(3) “628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(4) 转动霍尔器件探杆支架的旋纽c264bdb22a754961ef6021b6c1914161.png
(5) 记录测试仪面板右上角的8d9c307cb7f3c4a32822a51922d1ceaa.png
(6) 测绘83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
取a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png
表1-1测绘83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
(7) 测绘83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
取628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
表1-2测绘83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
2. 测绘螺线管内轴线上磁感应强度分布(9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
取628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(1) 以距离螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点,探头离中心位置912a3e778126ef5005e1501202a1abc2.png
先调节c264bdb22a754961ef6021b6c1914161.png
表1-3测绘螺线管内轴线上磁感应强度分布(9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
(2) 绘制9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
(3) 将螺线管中心的9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
【注意事项】
1. 霍尔器件性脆易碎,电极甚细易断,实验中调节探头轴向位置时,要缓慢、细心地转动有关旋纽,探头不得调出螺线管外面,严禁用手或其他物件去触摸探头,以防损坏霍尔器件。
2. 测量前,应将测试仪上的“628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
3. 正确连接实验线路,注意:决不允许将测试仪的励磁电源“a049d3a2fc891ba394aef9fd2a8e4d5a.png
4. 通过霍尔器件的工作电流628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
5. 螺线管通电时间过长将导致螺线管发热而影响测量结果,实验时每测完一组数据后可断开电源片刻再接着测量。
【思考问题】
课前预习题
1. 什么叫霍尔效应?为什么此效应在半导体中特别明显?
2. 如何根据e653e5d6d473e534d2df7a21007738e1.png
3. 怎样利用霍尔效应测定磁场?
4. 如何测定霍尔器件的灵敏度afe041a2b6013fde537f4dbf80dba399.png
5. 若磁场9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
课后思考题
6. 霍尔器件中的副效应是如何影响实验结果的?如何消除副效应的影响?
7. 怎样用霍尔器件测量交变磁场?试画出实验线路图并写出测试方法。
8. 利用霍尔器件能测间隙磁场吗?若霍尔器件的几何尺寸为46392228661363e75c352077a2cfe66d7.png
【附录】
霍尔器件中的副效应及其消除方法
实际测量霍尔电压83ba1b8635f5dc46740599986e5c7fea.png
(1) 不等位电压e40444a94ae90f2ae253721b8132f977.png
word/media/image93.gif如图1-6所示,由于霍尔器件的7fc56270e7a70fa81a5935b72eacbe29.png
的方向有关,因此可以通过改变628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
(2) 温差电效应引起的附加电压(爱廷豪森电压)d45c9fe00d6288d7292d0eac0a176a8e.png
word/media/image98.gif爱廷豪森效应是一种电流磁效应。如图1-7所示,由于构成电流的载流子速度不同,若速度为9e3669d19b675bd57058fd4664205d2a.png
word/media/image100.gif电极两侧,一边聚集的快速载流子较多,温度较高,一边聚集的慢速载流子较多,温度较低,从而在57cec4137b614c87cb4e24a3d003a3e0.png
(3) 热磁效应直接引起的附加电压(能斯脱电压)55846f92e6e9adb81558dc48b4c0f7dc.png
如图1-8所示,由于霍尔器件两端电流引线的接触电阻不等,通电后在两接点处将产生不同的焦耳热,导致在02129bb861061d1a052c592e2dc6b383.png
(4) 里纪—勒杜克电压81f1ced9772d962df7cc87bb34a37bc9.png
里纪—勒杜克效应也属于热磁效应。由能斯脱效应产生的电流也有爱廷豪森效应,由此而产生的附加电压称为里纪—勒杜克电压81f1ced9772d962df7cc87bb34a37bc9.png
综上所述,实验中测得的7fc56270e7a70fa81a5935b72eacbe29.png
当取(+628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
将9d5ed678fe57bcca610140957afab571.png
当取(+628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
同理,按照上述分析,
当取(-628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
当取(-628c681409b1e8843f28c8256522fe0e.png
求以上四组数据15df402d99d5ae494c0eec6b149b3dd9.png
在直流电情况下,由于d45c9fe00d6288d7292d0eac0a176a8e.png
本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/24681dc7bbd528ea81c758f5f61fb7360b4c2b36.html
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