文档介绍：NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITY
PHYSICS LABORATORY
选做实验 (5)
2010 年12月
NINGBO INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ZHEJIANG UNIVERSITY
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一. 霍尔效应测量磁场
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在工业、国防、科研中都需要对磁场进行测量,测量磁场的方法有多种,如冲击电流计法、核磁共振法、天平法、电磁感应法、霍尔效应法等.
本实验介绍霍尔效应法测磁场测量原理简单、方法简便、测试灵敏度较高
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了解霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用
了解载流线圈的径向磁场分布情况
测量载流亥姆霍兹线圈的轴线上的磁场分布,进一步掌握磁场叠加知识
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1. 霍尔效应
带电粒子在磁场中运动,受洛仑兹力的作用而引起偏转。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在不同侧的聚积,从而形成附加的横电场。
如图所示,磁场B位于Z的正向,与之垂直的半导体薄片上沿X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相反的X负向运动。
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电子积累达到动态平衡时,在A、B两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势差称为霍尔电势VH
磁场B下,电子受洛仑兹力: fL=-evB
电场E下,作用于电子的力:fE=-eEH=-eVH /l
动态平衡时: f L=-f E vB=VH /l (1)
则霍尔元件的工作电流为: Is=nevld (2)
(3)
v:电子速度, n:载流子浓度, l:霍尔元件宽度, d:霍尔元件厚度
本实验中 d = ,l = , L =
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RH=l/ne 称为霍尔系数
当霍尔元件 d 和 l 确定时,元件的灵敏度KH
KH=RH/d=l/ned
VH=KHISB
------------------------------------
对于半导体材料,在弱磁场下,引入一个修正因子
则
材料的电导率,得到
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注意:当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时,作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量Bcosθ则 VH=KHISBcosθ
使用时应调整元件两平面方位,使VH达到最大,θ=0 则 VH=KHISBcosθ=KHISB
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当工作电流Is或磁感应强度B,两者之一改变方向时,霍尔电势VH方向随之改变;若两者方向同时改变,则霍尔电势VH极性不变
霍尔元件测量磁场的基本电路
将霍尔元件平面与待测磁场的磁感应强度B垂直,控制端输入恒定的工作电流Is,霍尔电势输出端接毫伏表,测量霍尔电势VH的值
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实验系统误差及其消除
测量霍尔电势VH时,会产生一些副效应,产生的附加电势叠加在霍尔电势上,形成测量系统误差
(1)不等位电势V0
引线不对称的焊在霍尔片两侧,
霍尔片电阻率不均匀、控制电流极
的端面接触不良. 两极不是等位面
存在电势差V0=IsR0 称不等位电势,
R0 是两等位面间的电阻
R0 确定时: V0与Is的大小成正比
其正负随Is的方向而改变