北京大学物理实验报告霍尔效应测量磁场.doc

霍尔效应测量磁场

【实验目的】

(1)了解霍尔效应的基本原理

(2)学习用霍尔效应测量磁场

【仪器用具】

仪器名

参数

电阻箱

?

霍尔元件

?

导线

?

SXG-1B毫特斯拉仪

±(1%+0.2mT)

PF66B型数字多用表200mV档

±(0.03%+2)

DH1718D-2型双路跟踪稳压稳流电源

0~32V0~2A

Fluke15B数字万用表电流档

±(1.5%+3)

VictorVC9806+数字万用表200mA档

±(0.5%+4)

【实验原理】

霍尔效应法测量磁场原理

若将通有电流的导体至于磁场B之中，磁场B(沿着z轴)垂直于电流IS(沿着x轴)的方向，如图1所示则在导体中垂直于B和IS方向将出现一个横向电位差UH，这个现象称之为霍尔效应。

图SEQ图\*ARABIC1霍尔效应示意图

若在x方向通以电流IS，在z方向加磁场B，则在y方向A、A′两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场.当载流子所受的横向电场力FE洛伦兹力FB相等时：

q

此时电荷在样品中不再偏转，霍尔电势差就有这个电场建立起来。

N型样品和P型样品中建立起的电场相反，如图1所示，所以霍尔电势差有不同的符号，由此可以判断霍尔元件的导电类型。

设P型样品的载流子浓度为p，宽度为w，厚度为的d。通过样品电流IS=pqvwd，则空穴速率v=IS/pqwd，有

U

其中RH=1/pq称为霍尔系数，KH=RH/d=1/pqd称为霍尔元件灵敏度。

霍尔元件的副效应及其消除方法

在实际测量过程中，会伴随一些热磁副效应，这些热磁效应有：

埃廷斯豪森效应：由于霍尔片两端的温度差形成的温差电动势UE

能斯特效应：热流通过霍尔片在其端会产生电动势UN

里吉—勒迪克效应：热流通过霍尔片时两侧会有温度差产生，从而又产生温差电动势UR

除此之外还有由于电极不在同一等势面上引起的不等位电势差U0

为了消除副效应，在操作时我们需要分别改变IH和B的方向，记录4组电势差的数据

当IH正向，B正向时：U

当IH负向，B正向时：U

当IH负向，B负向时：U

当IH正向，B负向时：U

取平均值有

1

测量电路

图SEQ图\*ARABIC2霍尔效应测量磁场电路图

霍尔效应的实验电路图如图所示。IM是励磁电流，由直流稳流电源E1提供电流，用数字万用表安培档测量IM。IS是霍尔电流，由直流稳压电源E2提供电流，用数字万用表毫安档测量IS，为了保证IS的稳定，电路中加入电阻箱R进行微调。UH是要测的霍尔电压，接入高精度的数字多用表进行测量。

根据原理(2)的说明，在实验中需要消除副效应。实际操作中，依次将IS、IM的开关K1、K2置于(+,+)、(-,+)、(-,-)、(+,-)状态并记录Ui即可，其中+表示正向接入，-表示反向接入。

【实验内容】

测量霍尔电流IS和霍尔电压UH的关系

将霍尔片置于电磁铁靠近中心处（便于稍后测量磁场）

调节IM=0.598A，调节R及E2使得IS=246810mA，测量并记录霍尔电压UH，每次消除副效应

更换输入端口，重复1.2的操作

作出UH-IS图，验证其线性关系

测量KH

保持IS=10mAIM=0.1A

调节IM使其从0.1~1.0A每间隔0.1A分别测量并记录磁场强度B和霍尔电压UH。每次测量旋转探头使得读数最大，以保证探头霍尔片垂直于磁场

根据原理(1)中给出的线性拟合得到KH

由得到的KH，根据在不同IM时测得的UH计算B，作出B-IM曲线

测量磁场的水平分布

保持IM=0.6AIS=10mA

读取并记录支架水平标尺读数x和霍尔电压UH

旋转旋钮，使得霍尔片处于磁场中不同的位置，重复3.2

根据测得的UH计算B，作出B-x曲线

【实验数据及处理结果】

测量霍尔电流IS和霍尔电压UH的关系

表格1UH-IS关系数据表IM=0.598A

IS/mA

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

U1/mV

8.13

16.22

24.33

32.44

40.57

U2/mV

8.13

16.24

24.40

32.55

40.76

U3/mV

8.02

16.00

23.99

32.01

40.03

U4/mV

8.01

16.02

24.05

32.13

40.23

UH/mV

8.07

16.12

24.19

32.28

40.40

图SEQ图\*ARABIC3Uh-Is关系图

拟合结果R2=1的UH-IS确符合线性关系

测量KH

表格2测量KH数据表IS=10.00mA

IM/A

B/mT

U1/mV

U2/mV

U3/mV

U4/mV

UH/mV

0.103

36.5

6.99

7.22

6.37

6.69

6.82

0.197

69.6

13.30

1