大学物理实验报告 螺线管磁场的测量.docxVIP

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实验报告

螺线管磁场得测量

霍尔效应就就是导电材料中得电流与磁场相互作用而产生电动势得效应。1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象,故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场得磁传感器,但因金属得霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料与制造工艺得发展,人们又利用半导体材料制成霍尔元件,由于它得霍尔效应显著而得到实用与发展,现在广泛用于非电量得测量、电动控制、电磁测量与计算装置方面。在电流体中得霍尔效应也就就是目前在研究中得“磁流体发电”得理论基础。近年来,霍尔效应实验不断有新发现。1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统得输运特性,在低温与强磁场下发现了量子霍尔效应,这就就是凝聚态物理领域最重要得发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究,并取得了重要应用,例如用于确定电阻得自然基准,可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。

在磁场、磁路等磁现象得研究与应用中,霍尔效应及其元件就就是不可缺少得,利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。

本实验采取电放大法,应用霍尔效应对螺线管磁场进行测量。

关键词:霍尔效应;霍尔元件;电磁场;磁场

一、实验目得

1、了解螺线管磁场产生原理。

2、学习霍尔元件用于测量磁场得基本知识。

3、学习用“对称测量法”消除副效应得影响,测量霍尔片得UH-IS(霍尔电压与工作电流关系)曲线与UH-IM,B-IM(螺线管磁场分布)曲线。

二、实验原理

霍尔效应从本质上讲,就就是运动得带电粒子在磁场中受洛伦兹力得作用而引起得偏转。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与磁场得方向上产生正负电荷在不同侧得聚积,从而形成附加得横向电场。如图所示,磁场B位于Z轴得正向,与之垂直得半导体薄片上沿X轴正向通以电流IS(称为工作电流),假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿着与电流IS相反得X轴负向运动。

由于洛伦兹力fL作用,电子即向图中虚线箭头所指得位于Y轴负方向得B侧偏转,并使B侧形成电子积累,而相对得A侧形成正电荷积累。与此同时运动得电子还受到由于两种积累得异种电荷形成得反向电场力fE得作用。则电子积累便达到动态平衡。这时在A、B两端面之间建立得电场称为霍尔电场EH,相应得电势差称为霍尔电势UH。

设电子按均一速度v,向图示得X负方向运动,在磁场B作用下,所受洛伦兹力为

fL=-evB

式中,e为电子电量,v为电子漂移平均速度,B为磁感应强度。

图6-7-1霍尔效应原理

同时,电场作用于电子得力为

fE=-eEH=-eUH/l

式中,EH为霍尔电场强度,UH为霍尔电势,l为霍尔元件宽度。

当达到动态平衡时

fL=-fE

vB=UHl

设霍尔元件宽度为l,厚度为d,载流子浓度为n,则霍尔元件得工作电流为

IS=nevld(6-7-2)

由式(6-7-1)与式(6-7-2)可得

UH=EHl=1neISBd=RHI

即霍尔电压UH(A、B间电压)与IS、B得乘积成正比,与霍尔元件得厚度成反比,比例系数RH=1ne称为霍尔系数(严格来说,对于半导体材料,在弱磁场下应引入一个修正因子RH=3π81ne,从而有A=3π8),它就就是反映材料霍尔效应强弱得重要参数,根据材料得电导率

RH=μ/σ=μp或μ=|RH|σ(6-7-4

式中,μ为载流子得迁移率,即单位电场下载流子得运动速度,一般电子迁移率大于空穴迁移率,因此制作霍尔元件时大多采用N型半导体材料。

当霍尔元件得材料与厚度确定时,设

KH=RH/d=l/ned(6-7-5)

将式(6-7-5)代入式(6-7-3)中得

UH=KHISB(6-7-6)

式中,KH称为元件得灵敏度,它表示霍尔元件在单位磁感应强度与单位控制电流下得霍尔电势大小,其单位就就是mV/(mA?T),一般要求KH越大越好。由于金属得电子浓度n很高,所以它得RH或KH都不大,因此不适宜作霍尔元件。此外元件厚度d越薄,KH越高,所以制作时,往往采用减少d得办法来增加灵敏度,但不能认为d越薄越好,因为此时元件得输入与输出电阻将会增加,这对霍尔元件来说就就是

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