霍尔元件测磁场教案

霍尔效应是磁效应的一种,由美国物理学家Hall于1879年在研究金属的导电机理时发现。

霍尔效应(Hall effect)是指当固体导体有电流通过,且放置在一个磁场内,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压,除导体外,半导体也能产生霍尔效 应,而且半导体的霍尔效应要强于导体。

【课题】霍尔元件测磁场(3学时)

【目的】

1、验证霍尔效应机理。

2、学习霍尔元件测量磁场的方法。

【重点】霍尔效应机理

【难点】霍尔效应机理、磁场分布的描绘

【前言】

霍尔效应是磁效应的一种,由美国物理学家Hall于1879年在研究金属的导电机理时发现。

霍尔效应(Hall effect)是指当固体导体有电流通过,且放置在一个磁场内,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压,除导体外,半导体也能产生霍尔效应,而且半导体的霍尔效应要强于导体。

【教学内容】

一、实验原理

1、霍尔效应

当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体内部的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一效应即为霍尔效应。如图1。

图1中,设半导体中电子浓度为n,则电流可表示为

1

每个电子在磁场B的作用下,受力为

2

于是电子在的作用下发生偏转,在上表面聚集,从而在上、下表面之间出现出现电势差vH,称为Hall电压。

这个电压与B之间的关系可表示为

3

于是

4

式中,霍尔元件的灵敏度。(mVmA-1T-1

如果半导体是P型,则载流子是空穴,受力方向不变,但前表面积累的是正电荷,此时,,p是空穴浓度。

图1 霍尔效应示意图 图中1. 电子;2. 导体;3. 磁铁;4. 磁场;5. 电源

图片来源:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9C%8D%E7%88%BE%E6%95%88%E6%87%89

所以,。KH越大,VH越容易测量。

vH的方向随电流的换向而换向,同时,也随着磁场B的换向而换向。

2、B的测量

对于Hall元件,只要分别测出工作电流I和Hall电压VH,由元件的KH即可测出B

5

3、测量方法

如图2,一般Hall元件上有两对电极。M、N为工作电流端,S、P为Hall电压端。P、S位于同一等势面上。

图2 Hall片上的电极

实际上,P、S端的电压值并不只是VH,还包括其他因素的附加电压:

  1. 不等位电压U0
  2. 能斯脱效应UN
  3. 厄廷豪森效应UE
  4. 里纪—勒杜克效应URL

所以实际测量中应考虑这些附加电压并想办法消除它们的影响,找出实际的VH,方法:

根据附加电压的特征,可采用工作电流I和/或磁场B换向来解出VH的值。

设图2中所示I和B的方向为正,则反之为负,于是,

解之

6

通常情况下,VH远大于UE,在一定误差范围内,略去UE有:

7

二、实验仪器

霍尔磁场测试组合实验仪:TH-H型、HJL型;导线6根。

三、实验步骤

1、霍尔元件输出特性测量
a) 要求正确无误接上测试仪和实验箱之间相对应的IS,VH和IM各组接线,并经检查后开启测试仪的电源;

注意:两种仪器接线位置不同,且原有布线也不同。原来已经连接好的线不要再动。下图2给出不用型号仪器实验箱中的接线位置:

图3 两种型号仪器不同接线位置示意图

b) 转动Hall元件支架的旋钮X,缓慢将Hall元件移到螺旋管的中心位置;(霍尔元件很小、易碎,粘在了绿色电路板的右端。)
c) 测绘VH-IS曲线:根据不同型号的仪器所对应的电流范围,表 1。取IM= A,依次调节IS等于表2中对应值。按原理中3所述换向法测出对应的U1,U2,U3,U4,记入表2。

表 1 不同仪器的工作电流范围

仪器型号

Is范围

mA

Im范围

A

TH-H

2~4

0.2~0.8

HJL

2~10

0.2~0.8

2、测绘磁场的磁感应强度分布曲线
  1. 取IS = mA,IM = A;(参照表1中的范围)
  2. 以标尺的最左端为坐标原点(此时不一定是刻度0点,因为有的标尺无法调节到0,请不要强力调节,以免损坏。),记下此时的位置x0,调节X1,没隔5mm测一组数据,直到标尺的最右端(大约是刻度50mm)。将对应的U1,U2,U3,U4 记入表3;
3、整理仪器
  1. 将双掷开关断开,关闭测试仪的电源;
    将自己连接上去的6根连接导线取下;
    小心地合上实验箱的盖子;
    关闭桌面电源。

四、数据处理

1、霍尔元件输出特性
L=0.30m ,D=0.013m , N=2850匝,
IM= A

表 2 VH-Is数据记录表

IS(mA)

TH-H型

2.00

2.25

2.50

…… …… ……

4.00

HJL型

2.00

3.00

4.00

…… …… ……

10.00

U1(mV)

…… …… ……

U2(mV)

…… …… ……

U3(mV)

…… …… ……

U4(mV)

…… …… ……

UH(mV)

…… …… ……

  1. 根据表2,由式(7)计算VH,并作VH-IS曲线;
  2. 理论上VH-IS曲线是一条直线,用逐差法求其斜率K;
  3. 根据计算KH
2、磁感应强度分布

电流设置:IS= mA;Im= A。

表 3 磁感应强度分布数据记录表

X(cm)

x0

x1

x2

……

U1(mV)

……

U2(mV)

……

U3(mV)

……

U4(mV)

……

UH(mV)

……

……

  1. 计算出表中的UH,B;(注意进行单位换算)
  2. 作B-X曲线,并解释曲线的形状所代表的含义。

五、课堂思考题

1、测量磁感应强度分布的时候,如何选取测试位置X更恰当?

六、实验中易出现的问题及解决方法

  1. 调节Is、Im旋钮时测试仪上相应读数没变化。答:

    A、请检查对应的双掷开关是否闭合。

    B、对于TH-H型仪器,还要检查”测量选择”是否按照标识正确放置了。

  2. 测试仪上VH显示为-1。答:请检查VH对应的双掷开关是否闭合。如果是,则是因为VH太大,超出了仪表的量程。
  3. 测量磁感应强度分布时,为什么不同位置处的测量值基本不变。答:该实验中产生的磁场相当于两块磁铁的N极和S极相对,并离开一定距离时的磁场分布。考虑到该实验中磁感应强度分布的实际情况,自行判断。

七、思考题

如果霍尔元件与磁场没有严格垂直而是有一个小的夹角,对结果有什么影响?

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本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/teaching/2009/11/teaching-plan-hall-effect/>。转载请保留此信息及相应链接。

2 条关于 “霍尔元件测磁场教案” 的评论

  1. 引用通告: 霍尔效应测磁场课件 | 水景一页

雁过留声,人过留名

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