霍尔效应实验

教学章节：实验  霍尔效应
教学内容：利用霍尔效应原理测量蹄形电磁铁的磁感应强度
教学学时：3学时
教学目的：
⒈了解产生霍尔效应的基本原理。⒉学会测量霍耳电压、计算霍尔系数、确定载流子浓度，了解消除副效应的方法。⒊了解用霍尔效应测量磁场的原理和基本方法。
教学重点、难点：霍尔效应的基本原理
教学方法、方式：讲解、操作指导
教学过程：（引入、授课内容、小结、作业布置等）
[实验背景介绍]
霍尔效应是美国物理学家霍尔在研究金属的导电机构时发现的一种电磁现象。利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
[实验仪器介绍]
⑴HL-IV型霍尔效应实验仪； ⑵QS-HB型霍尔效应测试仪； ⑶导线（若干）。

1． HL—IV型霍尔效应实验仪
⑴仪器结构
A．霍尔元件
霍尔元件是由N型硅单晶经过平面工艺制成的磁电转换元件，元件尺寸为4×2×0.2mm，元件胶合在白色绝缘衬板上，有4条引出导线，其中2条导线为工作电流极（1、2），2条导线为霍尔电压输出极（3、4），同时将这4条引线焊接在玻璃丝布板上，然后引到仪器换向开关上，并以1、2、3、4表示，能方便进行实验。
工作电流需用稳定电源供电，适当减小工作电流，以减少热磁效应引起的误差，最大电流15.0mA。
霍尔元件的灵敏度已给出，一般在10.0mv /（mA•T）左右，温度变化时，灵敏度也略有变化，这主要是由于不同温度下半导体的载流子浓度不同造成的。
B．调节装置
两螺钉分别调节霍尔元件上下、左右移动，两标尺标明霍尔元件在x、y上的位置。
C．电磁铁
根据电源变压器使用带状铁芯具有体积小和电磁性能高的特点，采用冷轧电工钢带制成，线圈用高强度漆包线多层密绕，层间绝缘，导线绕向即磁化电流的方向已标明在线圈上，可确定磁场方向。
线圈的两端引线已连接到仪器的换向开关上，便于实验操作。
D．换向开关
仪器上装有三只换向开关，可以很方便地改变 、B 、 的方向。
⑵原理图及工作电路（如图5-22所示）

图5-22  霍尔效应的实验电路图

Ａ.产生磁路部分
一个有1500匝线包的小型电磁铁T，直流稳压电源提供励磁电流，通过换向开关 来改变励磁电流方向，从而改变磁场B的方向。
B．供给工作电流部分
提供霍尔元件工作电流，通过换向开关Ｋ4 改变工作电流方向。
C．测量霍尔电压部分
mV表测量3、4点间的电位差，即霍尔电压。
⑶注意事项
A．霍尔片工作电流 的最大值为：直流15mA；交流有效值为11mA。
B．电磁铁励磁电流 的最大值为直流1A。
C．本霍尔效应装置，当从“1—2”通入 时，宜令换向开关拨向上方作为 、 、 的正向，当从“3—4”通入 时，宜选换向开关拨向下方作为正向。
2．QS—HB型霍尔效应测试仪
（1）仪器组成
由励磁恒流源 、样品工作恒流源 、数字电流表、数字电压表等单元组成。
（2）仪器面板图34-4所示：图34-4  QS型霍尔效应测试仪面板图
A． 恒流源
在面板的右侧，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“ 调节”采用16周多圈电位器，右数显窗显示 电流值。
B． 恒流源
在面板的中间，接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“ 调节”也采用16周多圈电位器，中数显窗显示 电流值。
C． 输入
在面板左下方，为霍尔电压 输入测量端，红、黑分别为正、负极性，左上数显窗显示 的测量值。
（3）仪器的使用
A．“ ”输出、“ ”输出和“ ”输入三对接线柱分别与实验台的三对相应接线端相连。注意：千万不能将 和 接错，否则 电流将烧坏霍尔样品。
B．仪器开机关，先将“ 调节”，“ 调节”旋钮逆时针旋到底，使 、 输出为最小值。
C．打开电源，预热数分钟后即可进行实验。
D．“ 调节”和“ 调节”两旋钮分别用来控制样品工作电流和励磁电流大小，其电流值随钮顺时针方向转动而增加，调节精度分别为10μA和1mA。
E．关机前，将“ 调节”，“ 调节”旋钮逆时针旋到底，此时，中右数显窗显示为“000”，方可切断电源。

[实验原理介绍]
1． 霍尔效应
将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场 ，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势 ，如图5-20所示，这现象称为霍尔效应。 称为霍尔电压。

 图5-20  霍尔效应原理图
实验表明，在磁场不太强时，电位差 与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即
                                                       (34-1)
或                                                     (34-2)
式（34-1）中  称为霍尔系数，式（34-2）中  称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA•T)。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。