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《霍爾效應(yīng)法測磁場》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、霍爾效應(yīng)法測磁場學(xué)時(shí)?3?授課時(shí)間?秋季學(xué)期?教案完成時(shí)間??07.11?實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的物理過程。2．學(xué)會(huì)應(yīng)用霍爾效應(yīng)測量磁場的原理和方法。實(shí)驗(yàn)原理:圖1霍爾效應(yīng)是1879年霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場中受力的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。如圖所示,一塊長為,寬為，厚為的矩形半導(dǎo)體薄片（N型，載流子是電子，帶負(fù)電），沿Y方向加上一恒定工作電流，沿X方向加上恒定磁場，就有洛侖茲力。（1）式中：為運(yùn)動(dòng)電荷的電量；為電荷運(yùn)動(dòng)的速度，沿Z負(fù)方向。在洛侖茲力的作用下，樣品中的電子偏離原流動(dòng)方向而向樣品下方運(yùn)動(dòng)，并
2、聚積在樣品下方。隨著電子向下偏移，在樣品上方會(huì)多出帶正電的電荷（空穴）。這樣，在樣品中形成了一個(gè)上正下負(fù)的霍爾電場，根據(jù)，在、面間便有霍爾電壓。當(dāng)建立起來后，它又會(huì)給運(yùn)動(dòng)的電荷施加一個(gè)與洛侖茲力方向相反的電場力，其大小為。隨著電子在面繼續(xù)積累，的電場力也逐漸增大，當(dāng)兩力大小相等（即）時(shí)，霍爾電場對(duì)電子的作用力與洛侖茲力相互抵消，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，、間便形成一個(gè)穩(wěn)定的霍爾電場，則有： ?。?） (3）設(shè)N型半導(dǎo)體的載流子濃度為，流過半導(dǎo)體樣品的電流密度為 ?。?）則 ?。?）式中,為半導(dǎo)體
3、薄片的寬度；為半導(dǎo)體薄片的厚度，為載流子的電量。將（5）式代入（3）式，并令，可得 ?。?）式中稱為霍爾系數(shù)，它是反應(yīng)霍爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參量。在實(shí)際應(yīng)用中（6）式常寫成 （7）式中稱為霍爾元件的靈敏度，單位mV/（mA·T）或mV/（mA·kGS）；為霍爾元件的工作電流（單位mA）；為垂直于半導(dǎo)體薄片的磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T或kGS）。若已測定，實(shí)驗(yàn)中測出樣品的工作電流和霍爾電壓，利用（7）式便可測得磁感應(yīng)強(qiáng)度，即 ?。?）半導(dǎo)體材料有N型（電子型）和P型（空穴型）兩種，前者載流子為電子，帶負(fù)電；
4、后者載流子為空穴，帶正電。由原理圖可以看出，若載流子為N型，則、點(diǎn)電位高于點(diǎn)，；若載流子為P型，則點(diǎn)電位低于點(diǎn)，?？梢姡垒d流子的類型，可根據(jù)的正、負(fù)確定待測磁場的方向。同樣，按原理圖所示的和的方向，若測得的，即、點(diǎn)電位高于點(diǎn)，則為負(fù)值，樣品為N型；反之，則為P型?！ 。?）式是在理想情況下才成立的。但在實(shí)際情況中，除霍爾效應(yīng)外，還存在著其他因素引起的幾種副效應(yīng)。這些副效應(yīng)所產(chǎn)生的電壓總和有時(shí)甚至遠(yuǎn)大于霍爾電壓，形成測量中的系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)分析表明，這些副效應(yīng)有的與流過霍爾元件的工作電流方向有關(guān)，有
5、的與加到霍爾片的磁場方向有關(guān)，在測量過程中只要按要求改變工作電流方向和磁場方向，就可以減少或消除這些副效應(yīng)的影響。設(shè)、、、為副效應(yīng)產(chǎn)生的四個(gè)電壓，它們的符號(hào)與磁場、電流方向有關(guān),在測量過程中分別改變電流和磁場的方向，就有：++：+-：--：-+：將上述四式進(jìn)行如下的計(jì)算： ?。?）所以 （10）由于溫差電壓一般比小得多，在誤差允許的范圍內(nèi)可以略去，故得：（11）將（11）式得到的代入（8）式即可求得。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測量電磁鐵間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線-曲線操作指導(dǎo):測量-曲線1．調(diào)節(jié)工作電流=5
6、mA，并在整個(gè)測量過程中保持不變；2．調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流=0；3．按順序?qū)ⅰ⒌拈_關(guān)換向，記錄相應(yīng)的值為（對(duì)應(yīng)于“++”）、（對(duì)應(yīng)于 “+-”）、（對(duì)應(yīng)于“--”）、（對(duì)應(yīng)于“-+”）。注意：若值為負(fù)時(shí)，將開關(guān)換向。4．調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流逐次遞增0.2A，直至1.60A，重復(fù)（3）。5．將測得的值代入公式和，求出相應(yīng)的值。6．在坐標(biāo)紙上，以為橫軸，為縱軸，作出-曲線。思考題：1.若磁場不恰好與霍爾元件片底法線一致，對(duì)測量結(jié)果有何影響，如果用實(shí)驗(yàn)方法判斷B與元件發(fā)現(xiàn)是否一致？2.能否用霍爾元件片測量交變磁場？3.實(shí)驗(yàn)
7、中對(duì)磁場測量有影響的磁場有哪些？4.為什么要把電流和磁場同時(shí)換向？5.列出計(jì)算螺旋管磁場強(qiáng)度公式。6如已知存在一個(gè)干擾磁場，如何采用合理的測試方法，盡量減小干擾磁場對(duì)測量結(jié)果的影響。7．用霍爾傳感器測量載流線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度比探測線圈有何優(yōu)點(diǎn)？霍爾傳感器能否測量交流磁場？8.用霍爾傳感器測量磁場時(shí)，如何確定磁感應(yīng)強(qiáng)度方向？
