袁樹青-霍爾效應(yīng)課件

霍爾效應(yīng)及磁場的測量理學院物理實驗中心EdwinHall（1855～1938）

霍爾效應(yīng)是霍爾(Hall)24歲時在美國霍普金斯大學研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。在長方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。背景介紹霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)長時期以來，霍爾效應(yīng)是在室溫和中等強度磁場條件下進行實驗的。1980年,德國物理學家克利青(KlausvonKlitzing)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下半導(dǎo)體硅的霍爾效應(yīng)不是常規(guī)的那種直線，而是隨著磁場強度呈跳躍性的變化，這種跳躍的階梯大小由被整數(shù)除的基本物理常數(shù)所決定。這在后來被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。由于這個發(fā)現(xiàn)，克利青在1985年獲得了諾貝爾物理獎。背景介紹實驗原理現(xiàn)象——霍爾效應(yīng)在長方形導(dǎo)體薄板上通以電流，沿電流的垂直方向施加磁場，就會在與電流和磁場兩者垂直的方向上產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。理論分析磁場中運動載流子受洛倫茲力作用電荷聚集形成電場電場力與洛倫茲力達到平衡，形成穩(wěn)定電壓UHmA-BmV又考慮到(n為載流子濃度)實驗原理即：KH=1/(nqd)稱為霍爾元件的靈敏度.IS為流過霍爾元件的電流，即其工作電流.——如果已知霍爾片的靈敏度KH，用儀器測出VH和IS即可求得磁感應(yīng)強度的量值.埃廷斯豪森效應(yīng)ＵE∝Ｉx·ＢzP型半導(dǎo)體+_溫度低溫度高Jx⊙ＢzN型半導(dǎo)體EyJx_+溫度低溫度高⊙ＢzEy

霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)ＵE方向與I和Ｂ方向有關(guān)。由于材料中載流子的速度不同，在磁場的作用下，載流子的偏轉(zhuǎn)半徑不同，從而在y軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此溫度梯度形成的溫差電動勢為埃廷斯豪森電壓。里吉-勒迪克效應(yīng)縱向熱擴散電流，在磁場的作用下，從而在y軸方向產(chǎn)生橫向溫差，這一橫向溫差又引起橫向電位差，為里吉-勒迪克電壓。ＵRL∝Ｑx·ＢzＵRL的方向只與Ｂ的方向有關(guān)。

霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)不等位效應(yīng)Ｕ0＝Ｉx·R0制備霍爾樣品時,y方向的測量電極很難做到處于理想的等位面上，即使在未加磁場時，在Ａ、Ｂ兩電極間也存在一個由于不等位電勢引起的歐姆壓降Ｕ0U0的方向只與Ix的方向有關(guān)。

霍爾效應(yīng)中的負效應(yīng)

霍爾效應(yīng)中負效應(yīng)的消除埃廷斯豪森效應(yīng)ＵE方向與I和Ｂ方向有關(guān)。能斯特效應(yīng)ＵN方向只與Ｂ方向有關(guān)。里吉-勒迪克效應(yīng)ＵRL的方向只與Ｂ的方向有關(guān)不等位效應(yīng)U0的方向只與I的方向有關(guān)。負效應(yīng)的消除：改變I和B的方向，即對稱測量法。+B,+I,測得電壓U1=UH+UE+UN+URL+U0+B,-I,測得電壓U2=-UH-UE+UN+URL-U0-B,-I,測得電壓U3=UH+UE-UN-URL-U0-B,+I,測得電壓U4=-UH-UE-UN-URL+U0UH=（U1-U2+U3-U4)/4-UE

忽略UE則UH=（|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/42.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

右圖是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動,固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖,檢測出單位時間的脈沖數(shù),便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。

霍爾傳感器的應(yīng)用1-輸入軸；2-轉(zhuǎn)盤；3-小磁鐵；4-霍爾傳感器實驗內(nèi)容實驗任務(wù)——利用霍爾效應(yīng)測量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強度的分布.完成這一實驗任務(wù)，必須做以下工作：儀器調(diào)節(jié)(將儀器調(diào)節(jié)到標準工作狀態(tài)).儀器標定(確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系).測量通電螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強度的分布.關(guān)鍵提示本實驗關(guān)鍵點如下：1.接線2.調(diào)標準工作狀態(tài)3.定標：固定位置、改變勵磁電流4.測量：固定勵磁電流、改變位置請按以上關(guān)鍵點閱讀以下材料。實驗裝置——電源組和數(shù)字電壓表實驗裝置——集成霍耳傳感器探測棒、螺線管實驗裝置——雙刀和單刀換向開關(guān)實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)一.需連接以下電路:連接給螺線管提供勵磁電流的電路.連接給霍爾元件提供工作電流(IS)的電路.連接輸出霍爾電壓的電路.連接外接補償電壓(2.500V)的電路.

詳見下頁圖示.實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)為螺線管提供勵磁電流(流過螺線管的電流)，產(chǎn)生磁場.V+和V-

:給霍爾元件提供工作電流Vout和V-

:輸出霍爾電壓外接2.500V補償電壓注意：V+、V-不能接反，否則將損壞元件.調(diào)節(jié)外接2.500V補償電壓調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流雙刀換向開關(guān)K2用于改變勵磁電流的方向.顯示勵磁電流大小調(diào)節(jié)勵磁電流集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾元件輸出電壓.量程切換實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)霍爾元件置于螺線管中央，改變勵磁電流IM(0-500mA)

，測量V’-IM

關(guān)系(測10組數(shù)據(jù)).IM為螺線管通電電流

繪制V’-IM關(guān)系曲線，計算斜率.實驗內(nèi)容1：霍爾電勢差與磁感應(yīng)強度B的關(guān)系方法：霍爾元件位置固定(置于螺線管的中央)，改變勵磁電流.注意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，測量點在兩邊應(yīng)比中間取得密一些用測得的軸線上各點的磁感應(yīng)強度，繪制螺線管軸線上磁場的分布曲線.勵磁電流為0時，霍爾電壓總為0嗎？IM=0時，由于地磁場的存在，VH不一定為0，怎樣消除地磁場的影響？每個點IM正、反向各測一次，取二者絕對值的平均值作為該點的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響.實驗內(nèi)容2：螺線管軸線磁場分布的測量方法：保持勵磁電流不變(250mA)，改變霍爾元件位置(0~30.0cm)，測量螺線管軸線上各點的霍爾電壓。實驗數(shù)據(jù)例——靈敏度的測定表1測量霍爾電壓(已放大)與勵磁電流IM的關(guān)系

(霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即X=17.0cm處)實驗數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場分布的測定(表2：螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強度B與位置X的關(guān)系)表二：UH~x關(guān)系x（cm）11.522.533.54..........30U+（mV）U-（mV）UH（mV