霍尔效应和霍尔法测量磁场.DOC

1、霍 尔 效 应 和 霍 尔 法 测 量 磁 场DH4512 系列霍尔效应实验仪 （实验讲义）使用说明书1DH4512 系列 霍尔效应实验仪使用说明一、概 述DH4512 系列霍尔效应实验仪用于研究霍尔效应产生的原理及其测量方法，通过施加磁场,可以测出霍尔电压并计算它的灵敏度，以及可以通过测得的灵敏度来计算线圈附近各点的磁场。DH4512 采用双个圆线圈产生实验所需要的磁场（对应实验一内容） ； DH4512B 型采用螺线管产生磁场（对应实验一、实验二的内容） ；DH4512A 组合了 DH4512 和 DH4512B 的功能，含有一个双线圈、一个螺线管和一个测试仪。图 1-1 DH4512 霍

2、尔效应双线圈实验架平面图图 1-2 DH4512 霍尔效应螺线管实验架平面图2二、仪器构成DH4512 型霍尔效应实验仪由实验架和测试仪二个部分组成。图 1-1 为DH4512 型霍尔效应双线圈实验架平面图，图 1-2 为 DH4512 型霍尔效应螺线管实验架平面图；图 1-3 为 DH4512 型霍尔效应测试仪面板图。图 1-3 DH4512 系列霍尔效应测试仪面板三、主要技术性能1、环境适应性：工作温度 1035；相对湿度 2575%。2、DH4512 型霍尔效应实验架（DH4512、DH4512A）二个励磁线圈：线圈匝数 1400 匝(单个)；有效直径 72mm；二线圈中心间距 52mm

3、。下表为电流与磁感应强度对应表(双个线圈通电)：电流值（A） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5中心磁感应强度（mT） 2.25 4.50 6.75 9.00 11.25移动尺装置：横向移动距离 70mm，纵向移动距离 25mm；霍尔效应片类型：N 型砷化镓半导体。3、DH4512B 型霍尔效应螺线管实验架（DH4512A 、DH4512B）：线圈匝数 1800 匝,有效长度 181mm，等效半径 21mm；移动尺装置：横向移动距离 235mm，纵向移动距离 20mm；霍尔效应片类型：N 型砷化镓半导体。4、DH4512 型霍尔效应测试仪DH4512 型霍尔效应测试仪主要由 00.5A 恒

4、流源、03mA 恒流源及20mV/2000mV 量程三位半电压表组成。a)霍 尔 工 作 电 流 用 恒 流 源 Is工 作 电 压 8V， 最 大 输 出 电 流 3mA， 3 位 半 数 字 显 示 ， 输 出 电 流 准 确 度为 0.5%。b)磁 场 励 磁 电 流 用 恒 流 源 IM3工 作 电 压 24V， 最 大 输 出 电 流 0.5A， 3 位 半 数 字 显 示 ， 输 出 电 流 准 确 度为 0.5%。c)霍尔电压不等电位电势测量用直流电压表20mV 量程,3 位半 LED 显示，分辨率 10V, 测量准确度为 0.5%d) 不等电位电势测量用直流电压表2000mV

5、量程，3 位半 LED 显示，分辨率 1mV, 测量准确度为 0.5%5、电源AC 220V10%，功耗：50VA6、外形尺寸测试架：320270250mm，测试仪：320300120mm四、使用说明1、测试仪的供电电源为交流 220V，50Hz,电源进线为单相三线。2、电源插座安装在机箱背面，保险丝为 1A，置于电源插座内 ,电源开关在面板的左侧。3、实验架各接线柱连线说明如图 1-3。1) 连接到霍尔片的工作电流端(红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)2) 连接到测试仪上霍尔工作电流I s端(红色插头与红色插座相联 , 黑色插头与黑色插座相联)3) 电流换向开关4) 连接到霍

6、尔片霍尔电压输出端(红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)5) 连接到测试仪上V H、V 测量端(红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)6) VH、V测量切换开关，测量霍尔电压与测量载流子浓度同一个测量端，只需按下V H、V转换开关即可7) 连接到测试仪磁场励磁电流I M端(红色插头与红色插座相联 , 黑色插头与黑色插座相联)8) 用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接( 红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)9) 10）连接到磁场励磁线圈端子,出厂前已在内部连接好,实验时不再接线4、测试仪面板上的“Is 输出” 、 “IM

7、 输出” 和“V H、V 测量”三对接线柱应分别与实验架上的三对相应的接线柱正确连接。5、将控制连接线一端插入测试仪背部的二芯插孔，另一端连接到实验架的控制接线端子上。6、 仪器开机前应将 Is、I M 调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后再开机。47、仪器接通电源后，预热数分钟即可进行实验。8、 “Is 调节”和“I M 调节”分别来控制样品工作电流和励磁电流的大小，其电流随旋钮顺时针方向转动而增加，细心操作。9、 关机前，应将“Is 调节”和“I M 调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零，然后才可切断电源。图1-4 实验架各接线柱连线说明图10 、继电器换向开

8、关的使用说明单刀双向继电器的电原理如图 1-5 所示。当继电器线包不加控制电压时，动触点与常闭端相连接；当继电器线包加上控制电压时，继电器吸合，动触点与常开端相连接。图 1-5 继电器工作示意图实验架中，使用了三个双刀双向继电器组成三个换向电子闸刀，换向由接钮开关控制。电原理图如图 1-5 所示。当未按下转换开关时，继电器线包不加电，常闭端与动触点相连接；当按下按钮开关时，继电器吸合，常开端与动触点相连接,实现连接线的转换。由此可知，通过按下、按上转换开关，可以实现与继电器相连的连接线的换向功能。五、仪器使用注意事项51.当霍尔片未连接到实验架，并且实验架与测试仪未连接好时，严禁开机加电，否则

9、，极易使霍尔片遭受冲击电流而使霍尔片损坏。2.霍尔片性脆易碎、电极易断，严禁用手去触摸，以免损坏！在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎。3.加电前必须保证测试仪的“Is 调节”和“I M 调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底） ，严防 Is、I M 电流未调到零就开机。4.测试仪的“Is 输出”接实验架的“Is 输入” ， “IM 输出”接“I M 输入” 。决不允许将“I M 输出”接到 “Is 输入”处，否则一旦通电，会损坏霍尔片！5.注意：移动尺的调节范围有限！在调节到两边停止移动后，不可继续调节，以免因错位而损坏移动尺。六、仪器成套性1、DH4512 霍尔效应实验仪包括以下部分：a DH45

10、12 霍尔效应实验仪测试仪b DH4512 霍尔效应实验仪实验架（双线圈产生磁场，包含霍尔片）c 实验讲义 1 份d 交流电源线 1 根e 专用控制插座线 1 根f 测试线 6 根2、DH4512A 霍尔效应实验仪包括以下部分：a DH4512 霍尔效应实验仪测试仪b DH4512 霍尔效应实验仪实验架（双线圈产生磁场，包含霍尔片）c DH4512B 螺线管霍尔效应实验架（包含霍尔片）d 实验讲义 1 份e 交流电源线 1 根f 专用控制插座线 1 根g 测试线 6 根3、DH4512B 霍尔效应实验仪包括以下部分：a DH4512 霍尔效应实验仪测试仪b DH4512B 螺线管霍尔效应实验架

11、（包含霍尔片）c 实验讲义 1 份d 交流电源线 1 根e 专用控制插座线 1 根f 测试线 6 根6实 验 一 霍 尔 效 应 实 验 和 霍 尔 法 测 量 磁 场霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。在电流体中的霍尔效应也是目前在

12、研究中的“磁流体发电”的理论基础。近年来，霍尔效应实验不断有新发现。1980 年原西德物理学家冯克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。实验目的1、霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2、测绘霍尔元件的 VHIs，V HIM 曲线，了解霍尔电势差 VH 与霍尔元件工作电流 Is、磁感应强度

13、B 及励磁电流 IM 之间的关系。3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度 B 及磁场分布。4、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。实验仪器DH4512 系列霍尔效应实验仪 实验原理霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。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，从而形成附加的横向电场。如图 2-1 所示，磁场 B 位于 Z7的正向，与之垂直的半导体薄片上沿 X 正向通以电流 Is（称为工作电流） ，假设载 图 2-1 流子为电子（N 型半导体材料） ，它沿着与电流 Is 相反的 X

14、负向运动。由于洛仑兹力 f L 作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于 y 轴负方向的B 侧偏转，并使 B 侧形成电子积累，而相对的 A 侧形成正电荷积累。与此同时运动的电子还受到由于两种积累的异种电荷形成的反向电场力 f E 的作用。随着电荷积累的增加，f E 增大，当两力大小相等（方向相反）时， f L=f E，则电子积累便达到动态平衡。这时在 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。设电子按均一速度 ，向图示的 X 负方向运动，在磁场 B 作用下，所受V洛仑兹力为：f L=e B式中：e 为电子电量， 为电子漂移平均速度，B 为磁感应强度。同时，电场

15、作用于电子的力为：f E l HV式中：E H 为霍尔电场强度，V H 为霍尔电势，l 为霍尔元件宽度当达到动态平衡时:f L=f E B=VH/l （1）设霍尔元件宽度为 ，厚度为 d ，载流子浓度为 n ，则霍尔元件的工作l电流为（2）VneIs由(1)、(2)两式可得：（3）dIsBRIlEHH1即霍尔电压 VH (A、B 间电压 )与 Is、B 的乘积成正比，与霍尔元件的厚度成反比，比例系数 称为霍尔系数（严格来说，对于半导体材料，neR在弱磁场下应引入一个修正因子 ，从而有 ） ，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，根据材料的电导率 的关系，还可以得到：ne或 （4）pH/HR式中：

16、 为载流子的迁移率，即单位电场下载流子的运动速度，一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此制作霍尔元件时大多采用 N 型半导体材料。当霍尔元件的材料和厚度确定时，设：（5）nedlRKH/将式（5）代入式（3）中得：83A1838（6）IsBKVH式中： 称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位H控制电流下的霍尔电势大小，其单位是 ，一般要求 愈大愈好。TmAV/ HK由于金属的电子浓度 很高，所以它的 RH 或 KH， 都不大，因此不适宜作霍n尔元件。此外元件厚度 d 愈薄，K H 愈高，所以制作时，往往采用减少 d 的办法来增加灵敏度，但不能认为 d 愈薄愈好，因为此时元件的输入和

17、输出电阻将会增加，这对霍尔元件是不希望的。本实验采用的霍尔片的厚度 d 为0.2mm，为 1.5mm，长度 L 为 1.5mm。应当注意：当磁感应强度 B 和元件平面法线成一角度时（如图 2-2） ，作用在元件上的有效磁场是其法线方向上的分量 ，此时：cosBIsKVHco所以一般在使用时应调整元件两平面方位，使 VH 达到最大，即： ，0这时有：（7）IsBIsH由式（7）可知，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。图 2-2 图 2-3霍尔元件测量磁场的基本电路（如图 2-3） ，将霍尔元件置于

18、待测磁场的相应位置，并使元件平面与磁感应强度 B 垂直，在其控制端输入恒定的工作电流 Is，霍尔元件的霍尔电势输出端接毫伏表，测量霍尔电势 VH 的值。实验项目一、研究霍尔效应及霍尔元件特性（D H4512、 DH4512A、 DH4512B 适用）1、测量霍尔元件零位（不等位）电势 V0 及不等位电阻 R0V 0I S2、研究 VH 与励磁电流 IM 和工作电流 IS 之间的关系二、测量通电圆线圈的磁感应强度 B（DH4512、DH4512A 适用） 1、测量通电圆线圈中心的磁感应强度 B 2、测量通电圆线圈中磁感应强度 B 的分布 9实验方法与步骤一、按仪器面板上的文字和符号提示将 DH4

19、512 型霍尔效应测试仪与DH4512 型霍尔效应实验架正确连接。1、将 DH4512 型霍尔效应测试仪面板右下方的励磁电流 IM 的直流恒流源输出端（00.5A） ，接 DH4512 型霍尔效应实验架上的 IM 磁场励磁电流的输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连） 。2、 “测试仪”左下方供给霍尔元件工作电流 IS 的直流恒流源（03mA）输出端，接“实验架”上 IS 霍尔片工作电流输入端（将红接线柱与红接线柱对应相连，黑接线柱与黑接线柱对应相连） 。3、 “测 试 仪 ”VH、 V 测 量 端 ， 接 “实 验 架 ”中 部 的 VH、 V 输 出 端 。注意：

20、以上三组线千万不能接错，以免烧坏元件。4、用一边是分开的接线插、一边是双芯插头的控制连接线与测试仪背部的插孔相连接(红色插头与红色插座相联, 黑色插头与黑色插座相联)。二、研究霍尔效应与霍尔元件特性1、测量霍尔元件的零位（不等位）电势 V0 和不等位电阻 R0I将实验仪和测试架的转换开关切换至 VH，用连接线将中间的霍尔电压输入端短接，调节调零旋钮使电压表显示 0.00mV；II将 IM 电流调节到最小III调节霍尔工作电流 IS3.00mA，利用 IS 换向开关改变霍尔工作电流输入方向分别测出零位霍尔电压 V01 、V 02，并计算不等位电阻：R01 ，R 02 （8）S01IS02I2、测

21、量霍尔电压 VH 与工作电流 Is 的关系I、先将 Is，I M 都调零，调节中间的霍尔电压表，使其显示为 0mV。II、将霍尔元件移至线圈中心，调节 IM =500mA，调节 Is =0.5mA,按表中Is，I M 正负情况切换“实验架”上的方向，分别测量霍尔电压 VH 值（V 1，V 2，V 3，V 4）填入表（ 1） 。以后 Is 每次递增 0.50mA，测量各V1，V 2，V 3，V 4 值。绘出 IsVH 曲线，验证线性关系。表 1 IM =500mAIsV1(mV) V2(mV) V3(mV) V4(mV)Is(mA)+Is +IM +Is -IM -Is -IM -Is +IM (mV)4321H0.501.001.502.00