試驗(yàn)523用霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)

1、百度文庫-好好學(xué)習(xí).天天向上-163實(shí)驗(yàn)5-23用霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種。當(dāng)在載流導(dǎo)體的垂直方向上加上磁場(chǎng)，則在與電流和磁 場(chǎng)都垂直的方向上將建立一個(gè)電場(chǎng)。這一現(xiàn)象是霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的。被稱為“霍爾效應(yīng)”。 具有這種效應(yīng)的不僅是金屬，還有半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等。而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得 多。半導(dǎo)體霍耳器件在磁測(cè)量中應(yīng)用廣泛。它可用來測(cè)量強(qiáng)電流、圧力、轉(zhuǎn)速、流量、半 導(dǎo)體材料參數(shù)等，在自動(dòng)控制等技術(shù)中的應(yīng)用也越來越多?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的物理過程。2.學(xué)習(xí)用霍爾元件測(cè)呈:通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)?！緝x器器材】HLZ-2型霍爾元件測(cè)螺線管磁場(chǎng)儀、UJ37型電位差計(jì)、直

2、流安培表、直流亳安表直流穩(wěn)壓電源、電阻箱、變阻器等?！菊沈?yàn)原理】一、霍爾效應(yīng)原理霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理研制的一種磁電轉(zhuǎn)換元件，是由半導(dǎo)體村料做成的。如圖5-23-1所示，把一塊型（載流 子是電子）半導(dǎo)體薄片放在垂直于它的磁 場(chǎng)B中，在薄片的四個(gè)側(cè)而A、4及、DD, ,分別引出兩對(duì)導(dǎo)線，當(dāng)沿A、A方 向通過電流/時(shí)，薄片內(nèi)立向移動(dòng)的電子 將受到洛侖磁力九的作用，其大小為(5-23-1)式中，c為電子的電量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，為電子的移動(dòng)速度。電子受力偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，使得電荷在、兩側(cè)聚枳而形成電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)又給電子一 個(gè)與兀反方向的電場(chǎng)力血。兩側(cè)電荷積累越多，幾便越大。當(dāng)f fH H= = f fE

3、 E時(shí)，電荷的積累 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，在薄片D、D之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍 爾電壓U UH H,這種現(xiàn)象即為霍爾效應(yīng)。設(shè)b、分別為薄片的寬度和厚度，為電子濃度,當(dāng)f fB B= A時(shí)又由式(5-23-2)和(5-23-3)可得1 1 = = evbclnevbcln(5-23-2)(5-23-3)(5-23-4)圖5-23-1霍爾效應(yīng)壓理圖百度文庫-好好學(xué)習(xí).天天向上-164式中K Kll=-/=-/（endend）叫做霍爾元件的霍爾系數(shù)。同理，如果霍爾元件是卩型（載流子是空穴）半導(dǎo)體，則K K = = /（endend）, ,苴中為空 穴濃度。因?yàn)镵和載流子的濃度成反

4、比，而半導(dǎo)體的載流子濃度又遠(yuǎn)比金屬的載流子濃度 低，所以采用半導(dǎo)體材料制作霍爾元件，并且將此元件做得很?。ㄒ话鉪0.2mm）,以 便獲得較髙的靈敏度。如果將霍爾元件放入待測(cè)磁場(chǎng)中，測(cè)量出和/ ,又已知K，則可利用式（5-23-4）計(jì)算出磁感應(yīng)強(qiáng)度B,即(5-23-5)二、實(shí)驗(yàn)中的副效應(yīng)及消除方法應(yīng)當(dāng)指出：式（5-23-5）是在作了一些假定的理想情形下得到的。實(shí)際上測(cè)得的并不只是還包括英它因素帶來的附加電壓。因而根據(jù)式（5-23-5）訃算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也 不準(zhǔn)確。所以應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中用特殊的方法消除這些附加電壓。1.不等位效應(yīng)-在理想狀態(tài)下，接通工作電流/后，電極D、應(yīng)位丨；于同一等位面，即當(dāng)磁場(chǎng)不

5、存在時(shí)，D D、兩端沒有電位 廠血差。由于從半導(dǎo)體材料不同部位切割制成的霍爾元件本身不f很均勻，性能稍有差異，加上因霍爾電極、ZX焊接在霍 爾片兩側(cè)時(shí)不十分對(duì)稱，實(shí)際上不能保證、）處在同一圖5-23-2霍爾元件的不等位效等位面上。如圖5-23-2所示。因此實(shí)際上（7H 0 ,霍爾元件或多或少都存在由于D、電位不相等造成的電壓（7。顯然，的正負(fù)隨工作電流/ 的換向而改變，而的換向?qū)ω暗姆较驔]有影響。2.愛廷豪森效應(yīng)假左載流子（電子或空穴）都是以同一速度移動(dòng)，實(shí)際上載流子的速度有大有小，因 此速度大于卩的載流子因兀 而偏向D側(cè)，（參看圖5-23-1）,速度小于卩的載流子因/V/E而偏向D側(cè)，由于高

6、速載流子能量大，使得D側(cè)溫度升髙，于是在D、D之間 產(chǎn)生了溫差電壓“E，它的正負(fù)既隨B的方向也隨/的換向而改變。3.能斯脫效應(yīng)：由于工作電流引線的焊接點(diǎn)A、A處的電阻不相等，通電流后發(fā)熱 程度不同，4、A兩端的溫度也不同。于是4、4之間岀現(xiàn)熱擴(kuò)散電流，在磁場(chǎng)作用下, 在D、D之間產(chǎn)生類似于霍爾電壓的電壓 S，的正負(fù)隨8的換向而改變，而與/ 的換向無關(guān)。4.里紀(jì)一勒杜克效應(yīng)上述熱擴(kuò)散電流各個(gè)載流子的遷移速度并不相同，而且由于愛廷豪森效應(yīng)，又在D D、DD兩端引起附加的溫差電壓U URLRL, ,毗的正負(fù)隨B的換向而改變，而與/換向無關(guān)。綜上所述，在確泄的磁場(chǎng)3和工作電流/的條件下，實(shí)際測(cè)疑的D、

7、兩端的電壓， 不僅包括U UH H, ,還包括了心、UE.5、%，是五種電壓的代數(shù)和。為了消除這些附加 電壓，在測(cè)量中應(yīng)保持/和B的數(shù)值大小不變，分別改變它們的方向，可消除附加電壓的 影響。具體作法是，先確泄某一方向的/和B均為正，用匚和B+來表示，反之為負(fù)，用/_、B_B_表示,按下列要求測(cè)四組數(shù)據(jù)：百度文庫-好好學(xué)習(xí).天天向上-165/+、乞時(shí)：U=UH+UZE+UN+URL百度文庫好好學(xué)習(xí).天天向上-166的分布曲線。3.霍爾元件的工作電流/ =10.00mA,通過螺線管的勵(lì)磁電流=1.00Ae本裝置 所用螺線管長(zhǎng)厶、總匝數(shù)N及霍爾系數(shù)K由實(shí)驗(yàn)室給出。由公式B = 4K/V/wxl0-7/(n.計(jì)算出螺線管中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論值B理，并 與x =14.50cm或14.00cm處的實(shí)驗(yàn)值劃比較，求岀相對(duì)誤差：=|-gn|xl0Q%B理表5-23-1霍爾元件測(cè)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄表格I I= mA.= A，K KH=_mV/niA T霍爾元件位宜x/cm或UiLx BJ/mVU寸I、BJ/mVUg B /mVU4(I、B /mVUn/mVB = h 介5【注意事項(xiàng)】1.霍爾元件是易損元件，引線很細(xì)，使用時(shí)應(yīng)小心調(diào)肖裝置以免碰斷。2.霍爾元件的工作電流不得超過額定值，否則會(huì)因過熱而損壞。3.螺線管的電