霍尔效应测磁场实验报告.docx
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霍尔效应测磁场实验报告.docx
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霍尔效应测磁场实验报告
实验报告
学生姓名:
学号:
指导教师:
实验地点:
实验时间:
一、实验室名称:
霍尔效应实验室
二、实验项目名称:
霍尔效应法测磁场
三、实验学时:
四、实验原理:
(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。
如在薄片的横向(X方向)加一电流强度为|H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UH。
如图1所示,这种现象称为霍耳效应,UH称为霍耳电压。
霍耳发现,霍耳电压UH与
电流强度Ih和磁感应强度B成正比,与磁场方向薄片的厚度d反比,即
UHR-^^b
(1)
d
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R/d常用另一常数K来表示,有
UhKIhB
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Ih和霍耳电压Uh,就可根据式
Uh
KIh
算出磁感应强度Bo
(二)霍耳效应的解释
现研究一个长度为I、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Ih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
fBevB
方向沿Z方向。
在fB的作用下,电荷将在元件沿Z方向的两端面堆积形成电场Eh(见图2),
它会对载流子产生一静电力fE,其大小为
fEeEH
方向与洛仑兹力fB相反,即它是阻止电荷继续堆积的。
当fB和fE达到静态平衡后,有
(4)
fBfE,即evBeEHeUH/b,于是电荷堆积的两端面(Z方向)的电势差为
UhvbB
通过的电流IH可表示为
IHnevbd
式中n是电子浓度,得
nebd
将式(5)代人式(4)可得
可改写为
IhB
UhR」KIhB
d
1
该式与式
(1)和式
(2)一致,R一就是霍耳系数。
ne
五、实验目的:
研究通电螺线管内部磁场强度
六、实验内容:
(一)测量通电螺线管轴线上的磁场强度的分布情况,并与理论值相比较;
(二)研究通电螺线管内部磁场强度与励磁电流的关系。
七、实验器材:
霍耳效应测磁场装置,含集成霍耳器件、螺线管、稳压电源、数字毫伏表、直流毫安表等。
八、实验步骤及操作:
(一)研究通电螺线管轴线上的磁场分布。
要求工作电流IH和励磁电流lN都固定,并让
Im500mA逐点(约12-15个点)测试霍耳电压Uh,记下Ih和K的值,同时记录长直螺线管的长度和匝数等参数。
1•接线:
霍尔传感器的1、3脚为工作电流输入,分别接“Ih输出”的正、负端;2、4脚为霍尔电压输出,分别接“Vh输入”的正、负端。
螺线管左右接线柱(即“红”、“黑”)
分别接励磁电流Im的“正”、“负”,这时磁场方向为左边N右边S。
2、测量时应将“输入选择”开关置于“Vh”挡,将“电压表量程”选择按键开关置于
“200”mV挡,霍尔工作电流Ih调到,霍尔传感器的灵敏度为:
245mV/mA/T。
3、螺线管励磁电流lm调到“0A”,记下毫伏表的读数V0(此时励磁电流为0,霍尔工作电流Ih仍保持不变)。
4、再调输出电压调节钮使励磁电流为lM500mA。
5、将霍耳元件在螺管线轴线方向左右调节,读出霍耳元件在不同的位置时对应的毫伏
表读数Vj,对应的霍耳电压VHiVV0。
霍尔传感器标尺杆坐标x=0.0mm对准读数环时,
表示霍尔传感器正好位于螺线管最左端,测量时在0.0mm左右应对称地多测几个数据,推荐
的测量点为x=、、、、、、、、、、、75.0mm。
(开始电压变化快的时候位置取密一点,电压变化慢的时候位置取疏一点)。
6、为消除副效应,改变霍耳元件的工作电流方向和磁场方向测量对应的霍耳电压。
计
算霍尔电压时,Vi、VVV4方向的判断:
按步骤(4)的方向连线时,Im、Ih换向开关置于“O'(即“+”时对应于Vi(+B、+Ih),其余状态依次类推。
霍尔电压的计算公式是V=
(V1-V2+V3-V4)-4。
7、实验应以螺线管中心处(x~75mm的霍尔电压测量值与理论值进行比较。
测量BTm
关系时也应在螺线管中心处测量霍尔电压。
(二)研究励磁特性。
固定Ih和霍耳元件在轴线上的位置(如在螺线管中心),改变Im,测量相应的Uh。
将霍耳元件调至螺线管中心处(x-75mm,调稳压电源输出电压调节钮使励磁电流在
0mA至600mA之间变化,每隔100mA测一次霍耳电压(注意副效应的消除)。
绘制lM〜B曲
线,分析励磁电流与磁感应强度的关系。
九、实验数据及结果分析:
1、计算螺线管轴线上磁场强度的理论值B理:
实验仪器编号:
_6,线圈匝数:
N=1535匝,线圈长度:
L=150.2mm,
线圈平均直径:
D=18.9mm,励磁电流:
1=0.500A,霍尔灵敏度K=245mV/mA/T
x=L/2=75.1mm时得到螺线管中心轴线上的磁场强度:
x=0或x=L时,得到螺线管两端轴线上的磁场强度:
同理,可以计算出轴线上其它各测量点的磁场强度。
2、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
B、IH
方向
N
+B、
+IH
+B、
-IH
-B、
-IH
-B、+IH
V(mV)
V2(mV)
Va(mV)
V4(mV)
VH(mV)
B(mT)
B理(mT)
B-B理(mT)
相对误差
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
3、不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度
零差(IMF0.000A时):
Vo1=,Vo2=,V)3=,Vo4=
IM(A)
测量项目、'、
Vi(mV)
V2(mV)
V3(mV)
V4(mV)
VH(mV)
B(mT)
4、螺线管轴线上的磁场强度分布图(注:
理论曲线不是必作内容)
5、螺线管中点磁场强度随励磁电流的变化关系图
6、误差分析:
(只列出部分,其余略)
B理论~x曲线与B测量~x曲线,不能吻合的原因主要是:
(1)螺线管中部不吻合是由于霍尔灵敏度K存在系统误差,可以通过与实验数据
比较进行修正。
(2)霍尔灵敏度K修正后,螺线管两端处的磁场强度的测量值一般偏低,原因是霍尔传感器标尺杆越往外拉,就越倾斜,由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器,检测到的霍尔电压就会下降。
(3)x=-30.0mm处磁场强度的测量值一般偏高,因为这里可能螺线管产生的磁场已经很弱,主要是地磁和其它干扰磁场引起检测到的霍尔电压增大。
十、实验结论:
1、在一个有限长通电螺线管内,当L>>R时,轴线上磁场在螺线管中部很大范围内近于均匀,
在端面附近变化显著。
2、通电螺线管中心轴线上磁场强度与励磁电流成正比。
卜一、总结及心得体会:
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元件。
2、霍耳元件的工作电流Ih有一额定值,超过额定值后会因发热而烧毁,实验时要注意实验室给出的额定值,一定不要超过。
3、螺线管励磁电流有一额定值,为避免过热和节约用电,在不测量时应立即断开电源。
4、消除负效应的影响要注意VI、V2、V3、V4的方向定义。
十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议:
霍耳元件在螺线管中移动时,与螺线管间有较大间隙,导致霍尔传感器标尺杆越往外拉,就越倾斜,由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器,检测到的霍尔电压就会下降,从而带来
较大的误差。
可以考虑在霍尔传感器标尺杆拉出时,额外增加一个支架类的支撑装置,使其
能沿轴线方向移动。
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