霍尔效应测磁场实验报告编辑版.docx

1、霍尔效应测磁场实验报告编辑版实验报告学生姓名：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|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 UH。如图1所示，这种现象称为霍耳效应， UH称为霍耳电压。霍耳发现，霍耳电压 UH与电流强度Ih和磁感应强度B成正比，与磁场方向薄片的厚度 d反比，即Uh 二 R-B （ 1）d式中，比例

2、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Uh 二 KIh B （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Ih和霍耳电压Uh，就可根据式Uhki算出磁感应强度B。（二）霍耳效应的解释现研究一个长度为I、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Ih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

3、场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为fB = evB方向沿Z方向。在fB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 YEh方向与洛仑兹力 fB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 = fe，即evB = eEH二eg/b，于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为Uh =vbB （ 4）通过的电流Ih可表示为lH - -nevbdn ebd式中n是电子浓度，得将式（5）代人式（4）可得ned可改写为IH BU H = R H KI H Bd1该式与式（1）和式（2）致，R 就是霍耳系数。

4、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 IH和励磁电流IN都固定，并让IM =500 mA，逐点（约12-15个点）测试霍耳电压 Uh，记下Ih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“ Ih输出”的正、负端； 2、 4脚为霍尔电

5、压输出，分别接“ Vh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S。2、 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Ih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 V。（此时励磁电流为0,霍尔工 作电流Ih仍保持不变）。4、 再调输出电压调节钮使励磁电流为 Im -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

6、耳电压 Vh =Vi -V。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，V1、V2、V3、V4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V1 （ +B、

7、+Ih）,其余状态依次类推。霍尔电压的计算公式是V= （ V 仁 V 2+V3- V 4） *4 。7、实验应以螺线管中心处 （x却5mm）的霍尔电压测量值与理论值进行比较。 测量BI m关系时也应在螺线管中心处测量霍尔电压。（二）研究励磁特性。固定Ih和霍耳元件在轴线上的位置（如在螺线管中心） ，改变Im，测量相应的Uh。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lMB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

8、 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： 匸 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:=4畑；42旳：“1535.500-6.37(mT)； 0.15022 0.01892x=0或x=L时，得到螺线管两端轴线上的磁场强度:汕12.L2 D2/4_44 3.142 10 1535 0.500 ,十、2 2 3.20(mT)；2 .0.1502 0.0189 /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

9、尔电压测量值和磁场强度计算值及误差 x( mm)B、Ih零-3-2-1-7-30.3.7.1247方向差0.00.02.0.0.00002.00.00.05.0V)(+B、0-00.0.1.2.3.4.5.6.7.7.7.+Ih.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+Ih.3.4.5.0.7.7.9.1.3.1.6.8.0-0-00.0.1.3

10、.4.5.6.6.7.7.V i(mV).4.31880242701-0-0-1-1-2-3-5-6-6-7-7-7V2(mV).4.5.0.6.7.8.0.2.9.4.6.70.0.1.1.2.3.5.6.6.7.7.7.V3(mV)670778029367-0-0-1-2-3-4-5-6-7-7-8-8V4(mV).7.8.3.0.0.2.4.6.4.9.1.30.0.0.1.2.3.4.6.6.7.7.7.VH(mV)3343855355709010853358700.0.0.1.2.3.4.4.5.5.6.6.1 丿273569240802009859981829B 理(mT)0.0.

11、0.1.2.3.4.5.5.6.6.6.1430682923201811731132370.0.0.-0-0-0-0-0-0-0-0-0B- B 理(mT)120401.05.15.18.18.14.13.13.14.0984141.-3-6-5-4-2-2-2-2-1相对误差.3%.6%6%.8%.8%.7%.2%.6%.3%.1%.2%.3%3、不同励磁电流下螺线管中点霍尔电压测量值和磁场强度零差（Im=0.000A 时）：Voi= 0.3mV ，Vo2= -0.4mV ，Vo3= -0.4mV ， Vo4= 0.3mVIm （A）测量项目二二0.0000.1000.2000.3000.4

12、000.5000.600V1(mV)0.31.42.84.35.77.48.50.01.12.54.05.47.18.2V2(mV)-0.4-1.5-3.1-4.6-6.2-8.1-9.20.0-1.1-2.7-4.2-5.8-7.7-8.8Va(mV)-0.41.53.14.66.27.39.20.01.93.55.06.67.79.6V4(mV)0.3-1.7-3.3-5.0-6.6-8.0-10.00.0-2.0-3.6-5.3-6.9-8.3-10.3VH(mV)0.001.543.084.626.167.709.24B(mT)0.001.262.513.775.036.297.544

13、、螺线管轴线上的磁场强度分布图（注：理论曲线不是必作内容）5、螺线管中点磁场强度随励磁电流的变化关系图6、误差分析：（只列出部分，其余略）B理论x曲线与B测量x曲线，不能吻合的原因主要是：（1） 螺线管中部不吻合是由于霍尔灵敏度 K存在系统误差，可以通过与实验数据比较进行修正。（2） 霍尔灵敏度K修正后，螺线管两端处的磁场强度的测量值一般偏低，原因是 霍尔传感器标尺杆越往外拉，就越倾斜，由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传 感器，检测到的霍尔电压就会下降。（3） x=-30.0mm处磁场强度的测量值一般偏高，因为这里可能螺线管产生的磁场 已经很弱，主要是地磁和其它干扰磁场引起检测到的霍尔电压增大。十

14、、实验结论:1、在一个有限长通电螺线管内，当 LR 时，轴线上磁场在螺线管中部很大范围内近于均匀，在端面附近变化显著。2、通电螺线管中心轴线上磁场强度与励磁电流成正比。十一、总结及心得体会：1、霍耳元件质脆、引线易断，实验时要注意不要碰触或振动霍耳元件。2、霍耳元件的工作电流 IH 有一额定值， 超过额定值后会因发热而烧毁， 实验时要注意实验室给出的额定值，一定不要超过。3、螺线管励磁电流有一额定值，为避免过热和节约用电，在不测量时应立即断开电源。4、消除负效应的影响要注意 V1、V2 、V3、V4 的方向定义。十二、对本实验过程及方法、手段的改进建议：霍耳元件在螺线管中移动时， 与螺线管间有较大间隙， 导致霍尔传感器标尺杆越往外拉， 就越倾斜， 由于磁场没有完全垂直穿过霍尔传感器， 检测到的霍尔电压就会下降， 从而带来 较大的误差。 可以考虑在霍尔传感器标尺杆拉出时， 额外增加一个支架类的支撑装置， 使其 能沿轴线方向移动。