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大学物理实验讲义 郑州轻工业学院 技术物理系 2010.10 目录 霍尔效应 …………………………………………………………………………1 螺线管及亥姆霍兹线圈测磁场 …………………………………………………9 惠斯通电桥测电阻………………………………………………………………14 空气比热容比的测量……………………………………………………………18 金属线膨胀系数的测量…………………………………………………………21 金属钨的逸出功测量……………………………………………………………27 空气、液体及固体介质的声速测量………………………………………… 33 霍尔效应 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，这个现象是美国霍普金斯大学物理系二年级24岁的研究生霍尔（E.H.Hall）于1879年研究载流体导体在磁场中受力性质时发现的，后被称为霍尔效应。利用霍尔效应能制成面积很小的霍尔元件，可以测量某点的磁场或缝隙中的磁场。通过霍尔效应测量的霍尔系数，可确定半导体的导电类型、载流子浓度及迁移率等重要参数。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已经广泛应用于非电量电测等检测技术、自动控制和信息处理领域等方面。从1879年至今，霍尔效应的研究在不断深入和发展。1936年苏联实验物理学家基科因（И．К．Кикоин）院士发现了铁磁体中的反常霍尔效应，后来在反常霍尔效应的基础上，发现了传导电子与自旋系统激发的相互作用。1980年德国的冯·克利青（K．V．Klitzing）教授宣布了在极强磁场和极低温度下发现的量子霍尔效应，能大大提高有关基本常量的准确度。等离子体霍尔效应为磁流体发电提供了依据。霍尔效应研究不断深入发展的意义是深远和难以估量的。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔元件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。 【实验目的】 1．了解霍尔效应的基本原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。 2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的～和～曲线。 3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。 【实验原理】 1．霍尔效应 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场，这个电场的电势差称为霍尔电压，记做。对于图1(a)所示的N型半导体试样，若在x方向通以电流，在z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛伦兹力 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1） 则在y方向上，即试样的A、A＇电极所在的两侧，就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场——霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对N型试样，霍尔电场沿y轴负方向，对P型试样霍尔电场则沿y轴正方向，有0（N型），0（P型）。 显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2） 其中为霍尔电场，υ是载流子在电流方向上的平均漂移速度。 设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则 　　 （3） 由（2）、（3）两式可得 　　 　 （4） 　　即霍尔电压（A、A＇电极之间的电压）与乘积成正比，与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出（伏）以及（安）、B（特斯拉）和d（米），可按下式计算（米3/库仑）。 　　 （5） 2．根据可进一步确定以下参数 （1）由的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型 判断的方法是按图1所示的和B的方向，若测得的0，即点A的电位低于点A＇的电位，则为负，样品属N型，反之则为P型。 （2）由求载流子浓度n 即。应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格来讲要考虑载流子的速度统计分布，则需引入3π/8的修正因子。 （3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ 电导率σ与载流子浓度n以及迁移率之间有如下关系 　　　　　　　　　　　　　　　　 （6） 即，通过实验测出σ值即可求出μ。 根据上述可知，要得到大的霍尔