文档介绍：实验十一用霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布一、实验目的1、掌握测试霍尔器件的工作特性;2、学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法;3、学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。二、实验仪器图11-1TH-S型螺线管磁场测定实验组合仪。三、实验原理1、霍尔效应法测量磁场原理把一半导体薄片放在磁场中,并使片面垂直于磁场方向,如在薄片纵向端面间通以电流,那么,在薄片横向端面间就产生一电势差,这种现象叫做霍尔效应,所产生的电势差叫做霍尔电压,用以产生霍尔效应的半导体片称为霍尔元件。霍尔效应是由于运动的电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的,如图(11-1)所示,当电子以速率沿X轴的反方向从霍尔元件的N端面向M端面运动时,电子所受到的沿Z轴方向、强度为B的磁场的作用力为fB=-evB(11-1)式中e为电子电量的绝对值。fB为电子受到的洛伦兹力,它使电子发生偏移,从而在霍尔元件的P端面聚积起正电荷,在S端面积聚起负电荷,于是在P、S端面间就形成一个电场EH,称为霍尔电场。霍尔电场又将产生阻碍电子偏移的电场力fE,当电子所受到的电场力与磁场力达到动态平衡时,有fE=fB或eEH=evB(11-2)其中v为电子的漂移速度。这时,电子将沿X轴的反方向运动,但此时已在P端面和S端面间形成一个电势差VH,这就是霍尔电压。设元件的宽度为b,厚度为d,电子浓度为n,则通过霍尔元件的电流为I=-nevbd (11-3)由(11-2)和(11-3)式可得 (11-4)即霍尔电压与IB乘积成正比,与元件厚度d及电子浓度n成反比,故采用半导体材料做霍尔元件,并切割得很薄()。其中比例系数称为霍尔系数,若令-,则VH=KHIB(11-5)式中K为霍尔元件的灵敏度,其值已标在仪器上,它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压,它的单位取I为mA、B为KGS、VH为mV,则KH的单位为mV/()。由(11-5)式可知,若KH为已知,用仪器分别测出通过霍尔元件的工作电流I及霍尔电压VH,就可以算出磁感应强度B的大小,这就是利用霍尔效应测量磁场的原理。2、实验中产生的附加电压及消除办法当对霍尔元件的P、S两端的电压进行测量时,实际测得的不只是VH,还包括其他因素带来的附加电压。下面讨论产生附加电压的原因及在实验中消除这些附加电压的方法。(1)由于霍尔元件材料本身的不均匀性,以及电压输出端P、S两极引线不可能是绝对对称地焊接在霍尔元件的两侧,当有电流I流过霍尔元件时,P、S两极将处于不同的等位面上,即使不加磁场,P、S两极间也存在电势差V0,称为不等位电势差,V0的正、负只与电流I的方向有关。(2)从宏观上看,当载流子所受的磁场力fB与霍尔电场力fE达到动态平衡时载流子将以一定的速度v沿X轴运动,而从微观来看,载流子的运动速率不会完全相同。对于速率大于v的载流子有fB´>;对于速率小于v的载流子有<,它们将分别聚积在霍尔元件的P端面与S端面。但由于快速载流子的能量大,使得聚集快速载流子的端面温度高,相反的一面温度低。于是在P、S之间将产生温差电压Vt,它不仅随I的换向而换向,也随B的换向而换向。(3)由于工作电流引线的焊点M、N处的电阻不会绝对相等,所以当电流I通过时会在M、N处产生不同的焦尔热,并因温差而产生电流,在磁场的作用下,在P、S之间将