實(shí)驗(yàn)19用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)

1、實(shí)驗(yàn) 19用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)一引言霍耳效應(yīng)是 1879 年美國(guó)物理學(xué)家霍耳在研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種電磁現(xiàn)象。依據(jù)此現(xiàn)象制成的各種霍耳元件廣泛地用于電測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及磁流體發(fā)電技術(shù)等，同時(shí)在新材料的研究方面也占有很重要的地位。由于霍耳元件體積小，可用來(lái)測(cè)量空間狹小區(qū)域的磁場(chǎng)， 也可制成高斯計(jì)測(cè)量從幾高斯到幾特斯拉范圍內(nèi)的磁場(chǎng)，且方便快捷。本實(shí)驗(yàn)介紹利用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)。二目的要求1. 掌握用霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)的原理和方法。2. 學(xué)會(huì)使用高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)。3. 熟悉使用 XY 記錄儀測(cè)量函數(shù)曲線。三實(shí)驗(yàn)原理霍耳效應(yīng)的原理請(qǐng)查閱相關(guān)書籍資料。本實(shí)驗(yàn)需要了解的是伴隨著霍耳效應(yīng)產(chǎn)生，

2、會(huì)影響測(cè)量的幾種副效應(yīng)：它們是：（1）不等位電勢(shì)差霍耳元件的電壓引線應(yīng)焊在同一等位面上，但是在實(shí)際制做時(shí)卻很難做到這一點(diǎn)。因此有電流通過時(shí)，即使沒有磁場(chǎng)存在，上下兩電極間也有電壓輸出，這就是不等位電勢(shì)差U0。顯然 U0與 I 有關(guān)，而與磁場(chǎng) B無(wú)關(guān)。（2）愛廷豪森效應(yīng)（ Etinghausen effect）處于磁場(chǎng)中的霍耳元件通以電流時(shí)，由于載流子遷移速度的不同，它們?cè)诖艌?chǎng)中受到的洛侖茲力也不相同，速度大的受到的洛侖茲力大，繞大圓軌道運(yùn)動(dòng)；速度小的則繞小圓軌道運(yùn)動(dòng)。這樣導(dǎo)致霍耳元件的一端較另一端具有較高的能量而形成溫度梯度，從而形成溫差電壓 UE。這就是愛廷豪森效應(yīng)。 UE 的大小與 IB

3、的乘積成正比， 隨 I 、B的換向而改變正負(fù)極性。（3）能斯托效應(yīng)（ Nernst effect）霍耳元件電流引線端焊接點(diǎn)的接觸電阻往往是不同的。當(dāng)有電流通過時(shí)，兩焊點(diǎn)之間產(chǎn)生溫差，形成熱擴(kuò)散電流，于是在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生附加電壓UN。UN 的正負(fù)取決于磁場(chǎng)的方向。（ 4）里紀(jì)勒杜克效應(yīng)（ Righi Leduc effect ）上述熱擴(kuò)散電流載流子的遷移速率是不相同的， 在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生類同于愛廷豪森效應(yīng)的附加電壓 URL。顯然 URL的方向與磁場(chǎng)的方向有關(guān)。上述四種副效應(yīng)產(chǎn)生的附加電壓疊加在霍耳電壓上，形成測(cè)量中的系統(tǒng)誤差來(lái)源，測(cè)量時(shí)應(yīng)設(shè)法減小或消除。由于副效應(yīng)引起的附加電壓的正負(fù)與電流

4、和磁場(chǎng)的方向有關(guān)，因此測(cè)量時(shí)通過改變電流和磁場(chǎng)的方向基本上可以消除這些附加誤差的影響。具體可按下面四種組合方式測(cè)量霍耳元件上下兩端的電壓：+B， +IU1=U H+U E+U N+U RL+U 0+B，-IU 2= - UH- UE+U N+U RL- U0-B，-IU 3=U H+U E- UN- URL- U0- B，+IU 4= - UH- UE-UN-U RL+U 0由上述四組測(cè)量結(jié)果可得：U H= 1 （U1-U 2+U 3- U4）- UE4UE 比 UH 小得多，可略去不計(jì)，于是霍耳電壓為：U H= 1 （U1-U 2+U 3- U4）（3.1 ）4四儀器用具霍耳效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，直流

5、電流表，XY 記錄儀，螺線管，穩(wěn)壓電源，高斯計(jì)。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)量 I =5.00mA，激磁電流分別為 I B=200mA和 I B=400mA時(shí)的霍耳電壓 UH。2. 用高斯計(jì)測(cè)量電磁鐵縫隙中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 所測(cè) UH值，求出該霍耳片的靈敏度 KH。3. 測(cè)量螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B沿軸線的分布曲線。六注意事項(xiàng)1.X Y記錄儀是貴重儀器，使用時(shí)應(yīng)事先調(diào)好X、Y 通道的電壓常數(shù)，避免超程。2.X Y記錄儀的走筆機(jī)械系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，畫曲線時(shí)應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)所加電壓盡量使筆緩慢勻速移動(dòng)。3. 霍耳片又薄又脆， 調(diào)節(jié)其 X 方向位置時(shí)，要十分小心， 不得使霍耳片支架頂撞限位卡，更不能施壓和撞擊。七考查題1. 實(shí)驗(yàn)中若磁場(chǎng) B 不恰好和霍耳片垂直，對(duì)測(cè)量結(jié)果有什么影響？如何用實(shí)驗(yàn)方法判斷兩者的垂直狀態(tài)？2. 測(cè)量霍耳電壓 UH 時(shí)，通過改變電流或磁場(chǎng)的方向共測(cè)量四次，最后由（ 3.1 ）式求得UH。這樣做的目的是什么？和一次測(cè)量有