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霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量
发布时间:2013/11/5

  一、实验原理

  静止的载流导体位于磁场中(三个条件,静止、通电导体、磁场),当电流I的方向与磁场的方向有一定夹角时,在垂直于电流和磁场方向的载流导体的两侧面之间会产生电动势,电流方向与磁场方向垂直时,产生的电动势最大,这一现象称为霍尔效应。霍尔效应的本质是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起偏转,当带电粒子被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向产生正、负电荷的聚集,从而在材料中形成附加的横向电场。

  霍尔效应一般极为微弱,但在高纯度的半导体中比较明显,因为半导体材料的载流子迁移率很高,电阻率也比较大。实用中为提高霍尔元件的灵敏度,将元件制成很薄、很小的矩形。过去霍尔元件的尺寸都在毫米数量级,新的制作工艺(真空镀膜)已使霍尔元件的尺寸更小,仅为微米数量级。所以实验中要严格按要求施加工作电流,注意安全,保护仪器。

  霍尔效应已在科学实验和工程技术中得到广泛应用。霍尔传感器主要用在以下几个方面:测量磁场强度;测量交直流电路电流强度和电功率;转换信号,如将直流电流转换成交流电流;对各种非电量的物理量进行测量并输出电信号供自动检测、控制和信息处理,实现生产过程的自动化。无论工科或理科学生,了解这一极富实用性的实验,对将来的工作和学习都有帮助。

  二、实验仪器

  实验仪器由两部分组成,实验仪和测试仪。实验仪包括一个用来产生匀强磁场的电磁铁,一个置于电磁铁缝隙中的霍尔传感器,其位置可调节,左右两个开关分别控制霍尔传感器工作电流IS和电磁铁线圈激励电流IM的方向,中间开关向上闭合用以测量霍尔传感器输出的霍尔电压VH,向下闭合用以测量霍尔传感器上的电压降V0。仪器上标有该霍尔传感器的灵敏度KH,注意要将单位mV/(mA*KGS)换算成国际单位制。测试仪是实验电源和测量仪表,两个恒流源分别输出霍尔传感器工作电流IS和电磁铁线圈激励电流IM,调节IS和IM,可实现实验条件的控制和改变,两者共用一个电流表读数,注意测量霍尔传感器工作电流时读数最大值是1.999毫安,测量电磁铁线圈激励电流时读数最大值是1.999安培,左边电压表用来测量霍尔电压VH和V0,读数单位是毫伏。

  三、实验内容、方法、实验报告要求

  由于产生霍尔效应的同时还伴随着多种副效应,使得测量过程包含着系统误差,为减小或消除系统误差,采用对称测量法,然后求各次测量的平均值,要正确应用公式(Va-Vb+Vc-Vd)/4≈VH,需正确定义IS、IM的方向。

  1、测绘电磁铁气隙中磁感应强度B沿X方向的分布曲线,作B—X图。用表4.7.5记录数据,用公式(20)计算各点磁感应强度B的值,调节IM为0.8A,IS为1.0mA,电磁铁气隙边长(X方向)为50mm;

  2、测绘VH—IM关系曲线,用表4.7.3记录数据,调节IS为1.0mA,霍尔元件置于电磁铁气隙中心;

  3、 测绘VH—IS关系曲线,用表4.7.1记录数据,,调节IM为1.0A,调节IS从0.1~1.0mA(间隔0.1mA),霍尔元件置于电磁铁气隙中心,根据中心点的磁感应强度B应用公式(9)计算霍尔元件材料的霍尔系数RH;

  4、测量霍尔元件的电导率、载流子迁移率,用表4.7.2记录数据,调节IS从0.2~1.0mA(间隔0.1mA),绘制IS—V0曲线;

  5、实验报告要求分析四个坐标图的物理意义,并给出文字说明和实验结论。

  以上实验内容适用06年版《大学物理实验》

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