霍尔效应法测磁场实验的探讨.doc

探究霍尔法测磁场强度实验【摘要】针对霍尔效应法测磁场强度实验中发现的测量数据误差的问题,分析实验中各种可能的误差来源,同时提出减小误差的相应措施。【关键词】霍尔法磁感应强度误差误差来源措施一、引言霍尔效应(Hall effect) 是 1879 年由霍尔(EdwinH. Hall) 发现的, 它对后来发现电子以及研究固体结构和原子结构起着重要的作用。霍尔效应是一种电磁效应, 即如果在电流的垂直方向加上磁场,则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。其产生是由于在磁场中运动的载流子受洛仑兹力作用而向侧边偏转聚积引起的。霍尔元件一般为半导体薄片,是一种利用霍尔效应通过把磁信号形式转变为电信号形式以实现检测的传感器件。经过 20 余年的研究和开发,目前己经能生产各种性能的霍尔元件,如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性,己广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。二、霍尔效应的发展状况随着新型半导体材料和低维物理学的发展,人们对霍尔效应的研究又取得了许多突破性进展。德国物理学家克利青(K. V. Klitzing) 因发现量子霍尔效应荣获了 1985 年度诺贝尔物理学奖;美籍华裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施特默(H. L. Stormer) 和美国物理学家劳克林(R. B. Laughlin) 因在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而荣获 1998 年度诺贝尔物理学奖。这一领域因两次授予诺贝尔奖而引起了人们广泛的兴趣。三、霍尔效应法测磁场的原理霍尔效应法测磁场的基本原理是:将一霍尔元件置于磁场中,磁感应强度 B 沿 y 轴方向,工作电流 I H沿 x 轴方向,根据霍尔效应,在 z 轴方向将建立起电场 E y于是在垂直于 z 轴的二平行端面间产生霍尔电压 U H =KI HB,其中 K为霍尔元件的灵敏度,所以,只要测出 I H和 U H,就可计算出 B y [1],如图所示: 霍尔效应示意图四、霍尔效应的应用由霍尔效应原理可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。高斯计的探头就是一个霍尔元件,在它的里面是一个半导体薄片。依据 U H =KI HB, U可用毫伏计测量, K, I H也可用相应的仪器测量,因此,就可以方便地算出 B值。高斯计的表盘是以磁感应强度标记的,只要把高斯计插入待测磁场中, B便可以直接读出,非常方便。如果要求被测磁场精度较高,如优于 ,那么,通常选用砷化嫁霍尔元件,其灵敏度高,约 5~10( mt /100 mt · mA) ,温度误差可以忽略不计,如果要求被测磁场精度较低,体积要求不高,如精度低于 % 时,则可选用硅和锗霍尔元件。五、实验误差来源分析在用霍尔元件测磁场的实验中,我们发现在计算通电螺线管轴线中部的磁场时,往往与理论值存在很大的偏离;同一台仪器,同样的实验条件,数字毫伏表的读数随机性很大,有时甚至异常。针对这种情况,有必要对误差来源作简要分析。 1)用霍尔元件测磁场时,伴随霍尔效应现象,会出现几种副效应:厄廷豪森效应 U E、能斯脱效应 U N、里纪一勒杜克效应 U RL以及不等位电势差 U 0。为了消除副效应的影响,根据副效应的特点,在维持工作电流 I H和磁场 B的大小不变的情况下