(精编资料推荐)霍尔效应测磁场实验报告.doc

实 验 报 告学生姓名： 学 号： 指导教师：实验地点： 实验时间：一、实验室名称： 霍尔效应 实验室二、 实验项目名称： 霍尔效应法测磁场三、实验学时：四、实验原理：（一）霍耳效应现象将一块半导体（或金属）薄片放在磁感应强度为B 的磁场中，并让薄片平面与磁场方向（如 Y 方向）垂直如在薄片的横向（X 方向）加一电流强度为I H 的电流，那么在与磁场方向和电流方向垂直的Z 方向将产生一电动势U H 如图 1 所示，这种现象称为霍耳效应，U H 称为霍耳电压霍耳发现，霍耳电压U H 与电流强度 I H 和磁感应强度B 成正比，与磁场方向薄片的厚度d 反比，即UHRIHB（ 1）d式中，比例系数R 称为霍耳系数，对同一材料R 为一常数因成品霍耳元件（根据霍耳效应制成的器件）的d 也是一常数，故 R / d 常用另一常数 K 来表示，有U HKIHB（ 2）式中， K 称为霍耳元件的灵敏度， 它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用下霍耳电压的大小如果霍耳元件的灵敏度K 知道（一般由实验室给出） ，再测出电流 I H 和霍耳电压 U H ，就可根据式U H（ 3）BKI H算出磁感应强度B。

1图 1 霍耳效应示意图 图 2 霍耳效应解释（二）霍耳效应的解释现研究一个长度为 l 、宽度为 b、厚度为 d 的 N 型半导体制成的霍耳元件当沿 X 方向通以电流 I H 后，载流子（对 N 型半导体是电子） e 将以平均速度 v 沿与电流方向相反的方向运动，在磁感应强度为 B 的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为f B evB方向沿 Z 方向在 f B 的作用下，电荷将在元件沿Z 方向的两端面堆积形成电场EH （见图2），它会对载流子产生一静电力fE ，其大小为fE eEH方向与洛仑兹力 f B 相反，即它是阻止电荷继续堆积的当 fB 和 fE 达到静态平衡后，有fB f E ，即 evB eEH eUH / b ，于是电荷堆积的两端面（ Z 方向）的电势差为U H vbB （ 4）通过的电流 I H 可表示为I H nevbd式中 n 是电子浓度，得IH（ 5）vnebd将式（ 5）代人式（ 4）可得UH IHBned可改写为2U HRIHBKIHBd该式与式（ 1）和式（ 2）一致， R1就是霍耳系数ne五、实验目的：研究通电螺线管内部磁场强度六、实验内容：（一）测量通电螺线管轴线上的磁场强度的分布情况，并与理论值相比较；（二）研究通电螺线管内部磁场强度与励磁电流的关系。

七、实验器材：霍耳效应测磁场装置，含集成霍耳器件、螺线管、稳压电源、数字毫伏表、直流毫安表等八、实验步骤及操作：（一）研究通电螺线管轴线上的磁场分布要求工作电流I H 和励磁电流 I N 都固定，并让I M 500 mA ，逐点（约 12-15个点）测试霍耳电压U H ，记下 I H 和 K 的值，同时记录长直螺线管的长度和匝数等参数1．接线：霍尔传感器的1、 3 脚为工作电流输入，分别接“I H 输出”的正、负端；2、4 脚为霍尔电压输出，分别接“V H 输入”的正、负端螺线管左右接线柱（即“红”、“黑”）分别接励磁电流 IM 的“正”、“负”，这时磁场方向为左边N右边 S2、测量时应将“输入选择”开关置于“VH”挡，将“电压表量程”选择按键开关置于“200” mV 挡，霍尔工作电流I H 调到 5.00mA ，霍尔传感器的灵敏度为： 245mV/mA/T 3、螺线管励磁电流 IM 调到“ 0A ”，记下毫伏表的读数V0 （此时励磁电流为0，霍尔工作电流 I H 仍保持不变） 4、再调输出电压调节钮使励磁电流为I M 500mA 5、将霍耳元件在螺管线轴线方向左右调节，读出霍耳元件在不同的位置时对应的毫伏表读数 Vi ，对应的霍耳电压VHiVi V0。

霍尔传感器标尺杆坐标x=0.0mm 对准读数环时，表示霍尔传感器正好位于螺线管最左端，测量时在0.0mm 左右应对称地多测几个数据，推荐的测量点为 x=- 30.0、- 20.0、- 12.0、- 7.0、- 3.0、0.0、3.0、7.0、12.0、20.0、40.0、75.0mm 开始电压变化快的时候位置取密一点，电压变化慢的时候位置取疏一点） 6、为消除副效应，改变霍耳元件的工作电流方向和磁场方向测量对应的霍耳电压计算霍尔电压时， V 1、V 2、V 3、V 4 方向的判断：按步骤（ 4）的方向连线时， IM 、IH 换向开关置于“ O”（即“ +”）时对应于 V 1（ +B、 +I H），其余状态依次类推霍尔电压的计算公式是V= （V1- V 2+V3- V 4）÷4 7、实验应以螺线管中心处 （ x≈75mm）的霍尔电压测量值与理论值进行比较 测量 B~I M3关系时也应在螺线管中心处测量霍尔电压8、计算螺线管轴线上磁场的理论值应按照公式B0 nI (cos2 cos1) （参见教材实μNIx2L - x0，计算验 16， p.152 公式 3-16-6 ）计算，即 B理x2D2/ 4(L - x)2D 2/ 4各测量点的理论值，并绘出2LB 理论 ~x 曲线与 B 测量 ~x 曲线，误差分析时分析两曲线不能吻合的μNI原因。

如只计算螺线管中点和端面走向上的磁场强度，公式分别简化为B理0、L2μNID 2B理0，分析这两点 B 理论 与实测不能吻合的原因L2D2/ 42B~X 曲线，分析螺线管内磁场的分布规律9、在坐标纸上绘制（二）研究励磁特性固定 I H 和霍耳元件在轴线上的位置（如在螺线管中心） ，改变 I M ，测量相应的 U H 将霍耳元件调至螺线管中心处（ x≈75mm），调稳压电源输出电压调节钮使励磁电流在0mA 至 600mA 之间变化，每隔 100mA 测一次霍耳电压（注意副效应的消除） 绘制 I M ～ B曲线，分析励磁电流与磁感应强度的关系九、实验数据及结果分析：1、计算螺线管轴线上磁场强度的理论值 B 理：实验仪器编号： 6 ，线圈匝数： N= 1535 匝 ， 线圈长度： L= 150.2mm ，线圈平均直径： D= 18.9mm ，励磁电流： I= 0.500A ，霍尔灵敏度 K= 245 mV/mA/Tx=L/2=75.1mm 时得到螺线管中心轴线上的磁场强度：μ0NI43.142 10 41535 0.500；BD20.150226.37( mT)L20.01892x=0 或 x=L 时，得到螺线管两端轴线上的磁场强度：Bμ0NI43.142 1041535 0.500D2/40.1502 23.20(mT ) ；2 L220.01892 / 4同理，可以计算出轴线上其它各测量点的磁场强度。

2、螺线管轴线上各点霍尔电压测量值和磁场强度计算值及误差x(mm)B、IH 零方向 差(mV)-3-2-1.0-7-30.3.7.12470.00.02.0.00002.00.00.05.0+B、0-00.0.1.2.3.4.5.6.7.7.7.+I H.3.104113575034+B、--0-0-1-2-3-4-5-6-7-7-8-8-IH0.4.8.9.4.0.1.2.4.6.3.8.0.1-B 、-0.0.0.1.2.3.4.5.6.6.7.7.-IH0.4236334685923-B 、0-0-0-1-1-2-3-5-6-7-7-7-8+I H.34.4.5.0.7.7.9.1.3.1.6.8.0V 1(mV)-0-00.0.1.3.4.5.6.6.7.7..4.31880242701V 2(mV)-0-0-1-1-2-3-5-6-6-7-7-7.4.5.0.6.7.8.0.2.9.4.6.7V 3(mV)0.0.1.1.2.3.5.6.6.7.7.7.670778029367V 4(mV)-0-0-1-2-3-4-5-6-7-7-8-8.7.8.3.0.0.2.4.6.4.9.1.3V H(mV)0.0.。