文档介绍：吉林大学仪器科学与电气工程学院 1 实验三霍尔效应法测量磁场磁场及物质磁性的测量时物理测量的一个重要分支。测量磁场的方法按其原理可分成两大类(1) 由物质在磁场中的表现的特征而发展起来的方法:霍尔效用法和核磁共振法等; (2) 以电磁感应原理为基础的测量方法: 冲击法和感应法等。感应法对线圈的转速与标定分度要求很高但测量不高, 因而应用较少。核磁共振法是目前测量均匀磁场最准确的方法, 常用来校验或标定其他测磁仪器。霍尔效应法和冲击电流法是常用的两种方法。其中霍尔效应法在测量技术、自动技术、计算机和信息技术中有广泛的应用, 例如各种型号的高斯计就是利用此原理; 冲击法作为一种较为简单、标准的测量方法历史悠久,至今仍为标准计量局采用。一、目的 1. 观察霍尔现象。 2. 了解应用霍尔效应测量磁场的原理和方法。 3. 学会使用霍尔元件测量螺线管内外磁场。 4. 研究通电螺线管内部磁场分布。二、原理 1. 霍尔效应霍尔效应是霍普斯金大学研究生霍尔 1879 年在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的,它是电磁基本现象之一。图1磁场中通电半导体的受力示意图如图 1 所示, 一个长、宽、厚分别为、、的半导体薄片, 在方向通以电流, 方向加磁场, 则载流子( 型半导体为带负电荷的电子, 型半导体为带正电荷的空穴) 受洛仑兹力的作用而发生偏转, 在半导体的两侧引起正负电荷的聚集; 与此同时, 还受到与此反向的电场力的作用, 当两力相等时, 电子的积累便达到动态平衡。这时, 在端之间建立的电场称为霍尔电场, 吉林大学仪器科学与电气工程学院 2 相应的电势称为霍尔电势, 这种现象是霍尔发现的, 被称为霍尔效应。设载流子平均速率为, 每个载流子的电荷量为,当载流子所受洛仑兹力与霍尔元件表面电荷产生的电场力相等时, 则达到稳定: 所以有称为霍尔系数(也成为霍尔器件的灵敏度) ,是反映材料霍尔效应强度的重要参数。进一步地,定义霍尔灵敏度。这样可推出: 所谓霍尔器件就是上述霍尔效应制成的电磁转换元件, 已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等各个领域。对于成品的霍尔元件, 其和已给出, 因此就将上式写成, 其中霍尔器件的灵敏度(其值由制作厂家给出) ,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。以上式中的单位取为,为,为,则的单位为。根据(5) 式,因已知,而由实验给出,所以只要测出就可以求出未知磁场强度。 2. 霍尔元件负效应的影响及消除在产生霍尔电压的同时,还伴有四种负效应,负效应产生的电压叠加在霍尔电压上,造成系统误差,因此需要根据其机理给予消除。(1) 额延格森效应: 从微观和统计的概念可知, 半导体中流动的载流子其速度有大有小, 并不相等。因此他们受到的洛仑兹力并不相等。速度大的电子受力大, 更多的聚集到面, 快速电子动能大, 致使面的温度高于面。由于温差电效应, 之间将产生电动势差, 记为, 的方向决定于电流和磁场二者的方向, 并可判知的方向始终和相同, 因此不能用换向法把它与分别开来(因为此影响较小,可忽略)。图2 吉林大学仪器科学与电气工程学院 3 (2) 能斯脱效应:如图 1,“ 1-2 ”是电极在面上的接触电阻,不可能制作的完全相等。因此, 当电流流过不等的接触电阻时, 将产生不等的热量, 致使面温度不相等。热处电子动能大, 扩散能力强,