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1、大学物理实验讲义郑州轻工业学院 技术物理系2010.10目录霍尔效应 1螺线管及亥姆霍兹线圈测磁场 9惠斯通电桥测电阻14空气比热容比的测量18金属线膨胀系数的测量21金属钨的逸出功测量27空气、液体及固体介质的声速测量 33 霍尔效应置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，这个现象是美国霍普金斯大学物理系二年级24岁的研究生霍尔（E.H.Hall）于1879年研究载流体导体在磁场中受力性质时发现的，后被称为霍尔效应。利用霍尔效应能制成面积很小的霍尔元件，可以测量某点的磁场或缝隙中的磁场。通过霍尔效应测量的霍尔系数，可确定半导体的导电类型
2、、载流子浓度及迁移率等重要参数。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已经广泛应用于非电量电测等检测技术、自动控制和信息处理领域等方面。从1879年至今，霍尔效应的研究在不断深入和发展。1936年苏联实验物理学家基科因（）院士发现了铁磁体中的反常霍尔效应，后来在反常霍尔效应的基础上，发现了传导电子与自旋系统激发的相互作用。1980年德国的冯克利青（KVKlitzing）教授宣布了在极强磁场和极低温度下发现的量子霍尔效应，能大大提高有关基本常量的准确度。等离子体霍尔效应为磁流体发电提供了依据。霍尔效应研究不断深入发展的意义是深远和难以估量的。在工业生产要
3、求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔元件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。【实验目的】1了解霍尔效应的基本原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。2学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的和曲线。3确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。【实验原理】1霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场，这个电场的电势差称为霍尔电压，记做。对于图1(a)所示的N型半导体试样，若在
4、x方向通以电流，在z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛伦兹力 （1）图1样品示意图则在y方向上，即试样的A、A电极所在的两侧，就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对N型试样，霍尔电场沿y轴负方向，对P型试样霍尔电场则沿y轴正方向，有0（P型）。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力与洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 （2）其中为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则 （3）由（2）、（3）两式可得 （4）即霍尔电压（A、A电极之间的电压）与乘积成正比
5、，与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出（伏）以及（安）、B（特斯拉）和d（米），可按下式计算（米3/库仑）。 （5）2根据可进一步确定以下参数（1）由的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型判断的方法是按图1所示的和B的方向，若测得的（约占5），因此可略去不计，所以霍尔电压为4电导率的测量可以通过图5.2-1所示的A、C（或A、C）电极进行测量，设A、C间的距离为L，样品的横截面积为，流经样品的电流为，在零磁场下，若测得A、C（或A、C）间的电位差为（），可由下式求得 (8)【实验仪器】HJLIII型霍尔效应实验仪（实验仪和测试仪）。【仪器简
6、介】1 HJLIII型霍尔效应实验仪仪器结构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420.2mm，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 /（mAT）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
7、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。原理图及工作电路（如图6所示）图6 霍尔效应实验电路图.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
8、开关4 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。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“12”通入时，宜令换向开关拨向上方作为、的正向，当从“34”通入时，宜选换向开关拨向下方作为正向。2.HJL-III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7所示：图7 HJL-III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。【实验内容】 1. 测量蹄形电磁铁气隙内某一
