霍尔元件

一、实验内容：

1.了解霍尔电压产生的机制； 2.学会用霍尔元件测量磁场的基本方法

二、实验仪器：

螺线管磁场测试仪、长直螺线管磁场装置、双刀换向开关

三、实验原理： 1.霍尔效应

2 X 3 I Z B 1 v 4 mv Y 图1 霍耳效应

如图（1）所示，霍尔元件是均匀的N型半导体材料制成的矩形薄片，长为L，宽为b，厚为d。当在1、2两端加上电压，同时有一个磁场B垂直穿过元件的宽面时，在3、4两端产生电位差(VH)，这种现象为霍尔效应。

霍尔片内定向运动的载流子所受洛仑兹力fB和静电作用力fE相等时，3、4两面将建立起一稳定的电位差，即霍耳电压VH:

VHKHIHB （1）

KH是霍尔元件的灵敏度。

2.附加电压

1）不等位电势差V0：与磁场B换向无关，随电流IH换向而换向；

2）厄廷好森（Etinghausen）效应温差电势差V0：随磁场B和电流IH换向而换向； 3）能斯脱（Nernst）效应热流电势差Vp：随磁场B换向而换向，与电流IH换向无关； 4）里纪－勒杜克（Righi-leduc）效应附加温差电势差Vs：随磁场B换向而换向，与电流IH换向无关；

3. 附加电压的消除

根据附加电压随磁场B和电流IH换向而各自呈现的特点加以消除。 （+IH，+B） V1VHV0VtVpVs （-IH，+B） V2VHV0VtVpVs （-IH，-B） V3VHV0VtVpVs （+IH，-B） V4VHV0VtVpVs 测量表达式： VH

1(V1V2V3V4) （2） 4四、实验步骤：

1. 仪器连接

将螺线管磁场装置与螺线管磁场测试仪电路连接好：

2. 调节螺线管的励磁电流IM (或IH)、调节霍耳元件的工作电流IS (或IH)

测试仪在通电前，应将“IS (或 IH)调节”和“IM调节”两个旋钮置于零位(即逆时针旋到底)。

实验中调节“励磁电流调节”旋钮使励磁电流显示为1.000A；调节“工作电流调节”

工作电流 换向开关 工作电流调节 红 红 黑 黑 霍耳电压 换向开关 励磁电流 换向开关 励磁电流调节 旋钮，使工作电流显示为5.00mA。 3. 测量螺线管轴线的磁场分布

1) 以相距螺线管两端口等远的中心位置为坐标原点，探头离中心位置x=12.5-x1-x2，轻轻转动螺线管底座上的标尺旋钮，使测距尺读数x1=x2=0.0cm。

先调节x1旋钮，保持x2=0.0cm，使x1停留在0.0、0.5、1.0、2.0、4.5、7.0、10.0、12.5cm等读数处，再调节x2旋钮，保持x1=12.5cm，使x2停留在1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0、11.5、12.5cm等读数处，按对称测量的方法测出相应的V1、V2、V3、V4值。 2) 记下KH的值，由(2)式及(1)式得此点的VH与B。 4. 绘制出螺线管内的B-X磁场分布曲线。

根据上述测量结果，绘制螺线管内的B-X磁场分布曲线。

五、数据记录和数据处理：

KH=0.5mV/(mA.T) L=25.0cm r=2.50cm N=2500匝 IM=1000mA

X（cm） V1(mv) （＋IS,+B） V2(mv) （+IS,-B） V3(mv) （－IS,－B） V4(mv) （IS,+B） VH(mv) B(T) 数据处理要求：1）计算螺线管中点的磁场强度B，并与理论值比较求相对误差；

B0NIML22 4r004107Tm/A

2）在坐标纸上绘制螺线管内的B~X磁场分布曲线。

六、注意事项：

1. 绝不允许将测试仪上的励磁电流“IM输出”错接到“工作电流”出，也不可错接到“霍耳电压”处，否则，一旦通电，霍耳元件立即烧毁。

2. 霍耳元件质脆，引线的接头细小，容易损坏，旋进旋出时，操作动作要轻缓。 3. V1、V2、V3、V4本身还含有“＋”、“－”号，测量记录时不要忘记。

4. 仪器开机前应将两个电流调节旋钮逆时针旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后开机。

5. 关机前，应将两个电流调节旋钮逆时针旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后关机。

七、思考题：

1）产生霍尔效应的机理？ 2）消除霍尔效应副效应的方法？

提示：根据每一种附加电压随磁场B和电流IH换向而变化的的特点加以消除。

3）若磁场的法线不是恰好与霍耳元件的法线一致，对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B与元件法线是否一致？

提示：若磁场的法线不是恰好与霍耳元件的法线一致，则霍耳电压VHKHIHB中的磁场B的只是

外磁场在霍耳元件的法线方向上的分量，因而会导致测量结果偏小。显然，缓慢变化霍耳元件的方向，观察其输出电压，电压最大时说明两者方向一致，否则，方向不一致。

4）能否用霍耳元件片测量交变磁场？

提示：由于霍尔电压建立的时间很短（约10－10s），故加在霍尔元件上的电流也可以是交变的，产生的霍尔电压VH也是交变，此时上式仍成立，只是式中的IH、VH应是有效值。

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5）根据磁场B的方向，工作电流I的方向及霍耳电压VH的正负，如何判断所用霍耳元件是N型（载流子为电子）还是P型（载流子为空穴）半导体？

提示：电流、磁场方向如图所示。根据

fBqvB来判断。若霍耳元件是N型（载流子为电子）

Z B 1 3 I 2 X v 4 mv Y 半导体，则4面为正，3面为负，霍耳电压VH为正；若是P型（载流子为空穴）半导体，则4面为负，3面为正，霍耳电压VH为负。