1、实验名称：霍尔元件测量螺线管磁感应强度 仪器与用具： TH-S 型螺线管磁场实验仪、 TH-S 型螺线磁场测试仪实验目的： 1 掌握霍尔元件的工作特性。2 学习用霍尔元件法测量螺线管轴向磁感应强度的原理和方法。实验报告内容（原理预习、操作步骤、数据处理、误差分析、思考题解答）实验原理霍尔效应从本质上讲，就是运动带电粒子 q 在磁场中受到洛仑兹力而引起的偏转现象。由于带电粒子束缚在固体材料中，这种偏转导致在垂直于电流和磁场方向上正负电荷在样品边界上的聚积，形成横向电场 EH。右图立方体为霍尔元件样品，b 为宽度，d 厚度， Is 是沿 x 轴方向从样品中流过的电流，在 z 轴方向上施加一个磁场
2、B，则在 y 轴方向上样品的两个侧面间就存在一个电动势，即霍尔电动势 UH。当横向电场对载流子的电场力与磁场对载流子的洛仑兹力相等时，载流子不再偏转，形成稳定电场。（1）BveEH式中 为霍尔电场， 载流子在电流方向上的平均漂移速率。HE设载流子浓度为 n，则有：（2） bdveISdBIRIn1EUSHSH（3） 可见，U H 与 IsB 成正比，与样品厚度 d 成反比，比例系数 称为霍尔系数，它是反映ne1RH材料霍尔效应强弱的重要物理量。 为霍尔元件的灵敏度，则RKHBIUSH（4）SHIK（5）（5）式就是磁感应强度的计算公式。 为已知量（由仪器生产厂家给出） ，测得 UH 和 Is
3、就H可以求得霍尔元件所在点的磁感应强度 B。然而，由于一些热磁负效应的存在，会产生一些附加的电动势，实验中测得的电动势并不是Y UHBZIsXbd实际的霍尔电压。这给测量带来误差，必须想办法消除。根据这些负效应产生的机理，采用电流和磁场换向的方法，就可以把负效应从测量结果中消除。具体做法是 Is 和 B 大小不变，设定 Is 和 B 的正反方向后，分别改变它们的方向，记录四组电动势数。本实验中流过螺线管内电流为 IM，是励磁电流，规定 IM 为正时，B 为正；I M 为负时，B 为负。+ Is + B（+ I M） U1- Is + B（- I M） U2- Is - B（- I M） U3+
4、 Is - B（+ IM） U44U321H（6）本实验用霍尔元件测量螺线管轴向上各点的磁感应强度。螺线管是由绕在圆柱面上的导线构成，可看成由很多有共同轴线的圆形线圈的组合，因此，轴线上某点的磁感应强度，可从对各圆形电流在轴线上该点产生的磁感应强度进行积分得到。对于有限长的螺线管，轴线中心点的磁感应强度最大，为 M0nIB式中 为真空磁导率，n 为螺线管单位长度的线圈匝数，I M 为励磁电流。0从理论上讲，长直螺线管内部磁场是均匀的，在靠近两端口处，表现出明显的不均匀性。在端口处的磁感应强度等于中部磁感应强度的 。21实验内容1 连接线路，测试仪面板上的“Is 输出” 、 “IM 输出” 、
5、“VH、V 输入”三对接线柱分别与实验仪上的三对相应接线柱正确连接。2 将 Is、I M 调节旋钮逆 时针转到底，使输出电流处于最小状态。打开电源，给测试仪0nIB预热 10 多分钟。3 “测量选择 ”置于 Is，调节“Is 调节”使 Is = 8.00mA。然后把“测量选择”置于 IM，调节“I M调节”旋钮使 IM = 0.800A。注意：在此后的实验过程中， “Is 调节” 和“I M 调节”旋钮不能再动。4 调节二维调节架的调节旋钮 x1、x 2，霍尔元件离轴线中心点距离 ，测出该位置对应21x-图 1的 U1、 U2、 U3、 U4，并计算出相应 UH 和 B 的值。5 实验完毕，将
6、 Is、I M 调节旋钮逆时针转到底，然后切断电源。 数据处理取 Is = 8.00mA，I M = 0.800A 保持不变，测螺线管轴线上各点的磁感应强度。1 根据下表数据绘制 B-x 曲线，验证螺线管端口的磁感应强度为中心位置的 1/2，/m0.n2s79V/A.KG.2HU1/mV U2/mV U3/mV U4/mVx1/cm x2/cm x/cm+Is、+I M -Is、+I M -Is、-I M +Is、-I MUH/mV B/T0.0 0.0 14.0 1.30 -1.21 1.16 -1.36 1.258 0.005640.5 0.0 13.5 1.78 -1.87 1.75 -
7、1.85 1.810 0.008111.0 0.0 13.0 2.07 -2.10 2.04 -2.13 2.085 0.009341.5 0.0 12.5 2.22 -2.23 2.17 -2.28 2.225 0.009972.0 0.0 12.0 2.29 2.29 2.23 -2.35 2.290 0.010265.0 0.0 9.0 2.35 -2.34 2.27 -2.43 2.348 0.010528.0 0.0 6.0 2.40 -2.35 2.29 -2.47 2.378 0.0106911.0 0.0 3.0 2.43 -2.36 2.30 -2.49 2.395 0.01
8、07314.0 0.0 0.0 2.41 -2.34 2.27 -2.47 2.375 0.0106414.0 3.0 -3.0 2.42 -2.34 2.27 -2.48 2.378 0.0106914.0 6.0 -6.0 2.46 -2.37 2.31 -2.53 2.420 0.0108414.0 9.0 -9.0 2.47 -2.38 2.31 -2.54 2.425 0.0108614.0 12.0 -12.0 2.35 -2.26 2.20 -2.41 2.305 0.0103314.0 12.5 -12.5 2.27 -2.19 2.12 -2.34 2.230 0.00999
9、14.0 13.0 -13.0 2.10 -2.00 1.92 -2.19 2.053 0.0092014.0 13.5 -13.5 1.80 -1.68 1.62 -1.86 1.74 0.0078014.0 14.0 -14 1.22 -1.11 1.04 -1.28 1.163 0.00521按实验数据绘制 B-x 曲线如下图 22 螺线管中心点磁感应强度的理论值与该点的实验值的相对误差。螺线管中心点磁感应强度的理论值： )T(016.810.156.2nIB2-7M0 相对误差： %3.8100.641%BE00 实思考题1 金属材料能否作为制作霍尔元件的材料？答：金属材料不能作霍尔元
10、件。金属材料中自由电子浓度 n 很大，由 可知， 很小，ne1RHHR使输出的 很小。霍尔元件是用半导体材料制成的，半导体的载流子浓度 n 小， 就大，使输HU出的 比较大。2 霍尔元件为什么作的很薄？答： 为霍尔元件的灵敏度，由 知， 越大，元件的霍尔效应越强。又HKBIKUSH，霍尔元件的厚度 d 越小越 越大，霍尔效应越明显。因此，霍尔元件都作的很薄。dR3 霍尔元件还能测量其他物理量吗？答：霍尔元件能测量电流。由 得， ，在 为已知量（由仪器生产厂家BIKUSHUIHK给出） ，测得 UH 和霍尔元件所在点的磁感应强度 B 就可以求得 Is。在均匀梯度的磁场中，还可以用来测量微小位移。图 2 B-x 曲线
