用霍尔效应测磁场-大学物理实验ppt精品.pptx

—2A 型霍尔效应测磁仪螺线管磁场测定仪
用霍尔法测量磁场是根据霍尔效应制成的霍尔元件测量磁场。霍尔元件具有结构简单、体积小、频率响应宽(从直流到微波)、输出电压变化大、自然寿命长等优点,在测量技术、自动控制、信息处理等方面已有极广泛应用。—2A 型霍尔效应测磁仪就是采用霍尔元件作为探头,来测量不同强弱磁场的大小及其分布情况。
一、目的和要求
1. 了解用霍尔元件测量磁场的原理。
2. 学习并掌握用霍尔元件测量长直螺线管磁场及分布的方法。
二、实验原理

1879年美国霍普金斯大学研究生院二年级研究生霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现:处在磁场中的载流导体,如果磁场方向和电流方向垂直,则在与磁场和电流都垂直的方向上出现横向电场,这就是霍尔效应。所产生的电场称霍尔电场,相应的电位差称霍尔电压。产生霍尔效应的载流导体称霍尔元件。如图1所示,在厚为d,长和宽分别为L和D的N型半导体薄片的四个侧面MN(通常为长L的两端面,称电流输入端)和PQ(通常为宽D的两端面,称电压输出端),分别引出两对电极MN极和PQ极。当MN极通入工作电流IS时,在PQ极将出现霍尔电压UH。该电压的产生是由于半导体在磁场中作定向运动的载流子(传导电荷的粒子)受到洛伦兹力fE作用而偏转,结果使电荷在PQ两侧聚集而成电场,该电场又给载流子一个与fE反向的电场力fE。
当电场力fE和洛伦兹力fE达到平衡时,霍尔电压UH一定,且
(1)
式中比例系数K称为霍尔元件的灵敏度。根据理论推导
(2)
n为单位体积中载流子的数量,称载流子浓度。q为载流子的电量,d为薄片的厚度。
图1
q为载流子的电量,d为薄片的厚度。显然,霍尔元件的灵敏度K越大越好。因K和n成反比,而半导体载流子的浓度远比金属的为小,因此,一般霍尔元件都是用半导体材料做的。K又和d成反比,所以霍尔元件图2
都很薄。半导体材料分N型和P型两种。N型为电子型材料,载流子为电子,传导的是负电荷;P型为空穴型材料,相当于带正电的粒子。可见图1所示的霍尔元件是N型半导体材料。如果图1所示为P型半导体材料,则P侧面带负电荷,Q侧面带正电荷。因此,知道了半导体的类型,根据霍尔电压UH的正负,可以定出待测磁场的方向。反之,知道了磁场方向,可以判出半导体的类型。
从(1)式可见,如果知道了霍尔元件的灵敏度K,则在测出了工作电流IS和霍尔电压UH(通常UH很小,需用电位差计测定)后,即可计算出被测磁场的磁感强度B的大小和方向。如果霍尔元件的灵敏度K为未知,则需先用标准磁感强度B根据(1)式定出K值,通常使工作电流IS一定,霍尔电压UH与磁感强度B值就可以从仪器上直接读出来了。这样的测磁仪器称特斯拉计(原称高斯计),特斯拉和高斯都是磁感强度B的单位,以上所述,就是用霍尔元件测量磁场的原理。
,(1)式是在理想情形下得到的,实际上从PQ极上测得的并不仅是霍尔电压UH,尚包括其它因素引起的附加电压,其中尤以不等式电位差影响较大。
1)不等位电势U0
由于制作时,两个霍尔电势不可能绝对对称的焊在霍尔片两侧(图2-1)、霍尔片电阻率不均匀、控制电流极的端面接触不良(图2-2)都可能造成A、B两极不处在同一等位面上,此时虽未加磁场,但A、B间存在电势差U0,此称不等位电势,U0=ISR0,R0是两等位面间的电阻,由此可见,在R0确定的情况下,U0与IS的大小成正比,且其正负随IS的方向而改变。
图2-1 图2-2
2)爱廷豪森效应当元件X方向通以工作电流IS,Z方向加磁场B时,由于霍尔片内的载流子速度服从统计分布,有快有慢。在到达动态平衡时,在磁场的作用下慢速快速的载流子将在洛仑兹力和霍耳电场的共同作用下,沿y轴分别向相反的两侧偏转,这些载流子的动能将转化为热能,使两侧的温升不同,因而造成y方向上的两侧的温差(TA-TB)。因为霍尔电极和元件两者材料不同,电极和元件之间形成温差电偶,这一温差在A、B间产生温差电动势UE,UE∝IB。这一效应称爱廷豪森效应,UE的大小与正负符号与I、B的大小和方向有关,跟UH与I、B的关系相同,所以不能在测量中消除。
3)伦斯脱效应
图2-3 正电子运动平均速度
图中V’<
V”>
如图2-3 由于控制电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不同,控制电流在两电极处将产生不同的焦耳热,引起两电极间的温差电动势,此电动势又产生温差电流(称为热电流)Q,热电流在磁场作用下将发生偏转,结果在y方向上产生附加的电势差UN,且UN∝QB这一效应称为伦斯脱效应,由上式可知UN的符号只与B的方向有关。