霍尔效应实验报告

霍尔效应实验报告
⼤学物理实验报告
课程名称：普通物理实验（2）
实验名称：霍尔效应
学院：专业班级：
学⽣：学号：
实验地点：座位号：
实验时间：
⼀、实验⽬的：
1、了解霍尔效应法测磁感应强度S I 的原理和⽅法；
2、学会⽤霍尔元件测量通电螺线管轴向磁场分布的基本⽅法；
⼆、实验仪器：
霍尔元件测螺线管轴向磁场装置、多量程电流表2只、电势差计、滑动变阻器、双路直流稳压电源、双⼑双掷开关、连接导线15根。

三、实验原理：
1、霍尔效应霍尔效应本质上是运动的带电粒⼦在磁场中受洛仑磁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，这种偏转导致在垂直电流和磁场⽅向上产⽣正负电荷的聚积，从⽽形成附加的横加电场，即霍尔电场H E .
如果H E <0，则说明载流⼦为电⼦，则为n 型试样；如果H E >0，则说明载流⼦为空⽳，即为p 型试样。

显然霍尔电场H E 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e H E 与洛仑磁⼒B v e 相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故有：
e H E =-B v e
其中E H 为霍尔电场，v 是载流⼦在电流⽅向上的平均速度。

若试样的宽度为b ，厚度为d ，载流⼦浓度为n ，则 bd v ne I =
由上⾯两式可得：
d
B I R d B I ne b E V S H S H H ===1 （3）即霍尔电压H V （上下两端之间的电压）与B I S 乘积成正⽐与试样厚度d 成反⽐。

⽐列系数ne
R H 1=称为霍尔系数，它是反应材料霍尔效应强弱的重要参量。

只要测出H V 以及知道S I 、B 和d 可按下式计算H R : 410?=B
I d V R S H H
2、霍尔系数H R 与其他参量间的关系根据H R 可进⼀步确定以下参量：
（1）由H R 的符号（或霍尔电压的正负）判断样品的导电类型。

判别⽅法是电压为负，H R 为负，样品属于n 型；反之则为p 型。

（2）由H R 求载流⼦浓度n.即e
R n H 1=
这个关系式是假定所有载流⼦都具有相同的漂移速度得到的。

（3）结合电导率的测量，求载流⼦的迁移率µ与载流⼦浓度n 以及迁移率µ之间有如下关系
µσne = 即µ=σH R ,测出σ值即可求µ。

3、霍尔效应与材料性能的关系
由上述可知，要得到⼤的霍尔电压，关键是选择霍尔系数⼤（即迁移率⾼、电阻率也较⾼）的材料。

因µρ=H R ,⾦属导体µ和ρ都很低；⽽不良导体ρ虽⾼，但µ极⼩，所以这两种材料的霍尔系数都很⼩，不能⽤来制造霍尔器件。

半导体µ⾼，ρ适中，是制造霍尔元件较为理想的材料，由于电⼦的迁移率⽐空⽳迁移率⼤，所以霍尔元件多采⽤n 型材料，其次霍尔电压的⼤⼩与材料的厚度成反⽐，因此薄膜型的霍尔元件的输出电压较⽚状要⾼得多。

就霍尔器件⽽⾔，其厚度是⼀定的，所以实⽤上采⽤ned K H 1=
来表⽰器件的灵敏度，H K 称为霍尔灵敏度，单位为()T mA mV
.
4、伴随霍尔效应出现的⼏个副效应及消除办法在研究固体导电的过程中，继霍尔效应之后⼜相继发现了爱廷豪森效应、能斯特效应、理吉勒杜克效应，这些都属于热磁效应。

现在介绍如下：
（1）爱廷豪森效应电压爱廷豪森发现，由于载流⼦速度不同，在磁场的作⽤下所受的洛仑磁⼒不相等，快速载流⼦受⼒⼤⽽能量⾼，慢速载流⼦受⼒⼩⽽能量低，因⽽导致霍尔元件的⼀端较为另⼀端温度⾼⽽形成⼀个温度梯度场，从⽽出现⼀个温差电压。

此效应产⽣的电压的⼤⼩与电流I 、磁感应强度B 的⼤⼩成正⽐，⽅向与H V ⼀致。

因此在实验中⽆法消去，但电压值⼀般较⼩，由它带来的误差约为5%左右。

（2）能斯特效应电压由于电流输⼊输出两引线端焊点处的电阻不可能完全相等，因此通电后会产⽣不同的势效应，使x ⽅向产⽣温度梯度。

电⼦将从热端扩散到冷端，扩散电⼦在磁场中的作⽤下在横向形成电场，从⽽产⽣电压。

电压的正负与磁场B 有关，与电流I ⽆关。

（3）⾥纪-勒杜克效应电压由能斯特效应引起的扩散电流中的载流⼦速度不⼀样，类似于爱廷豪森效应，也将在y ⽅向产⽣温度梯度场，导致产⽣⼀附加电压，电压的正负与磁感应强度B 有关，与电流I ⽆关。

（4）不等势电势差不等势电势差是由于霍尔元件的材料本⾝不均匀，以及电压输出端引线在制作时不可能绝对对称焊接在霍尔⽚的两侧所引起的。

这时即使不加磁场也存在这种效应。

若元件制作不好，有可能有着相同的数量级，因此不等势电势差是影响霍尔电压的⼀种最⼤的副效应。

电压的正负只与电流有关，与磁感应强度B ⽆关。

因为在产⽣霍尔效应的同时伴随着各种副效应，导致实验测得的两极间的电压并不等于真实的霍尔电压H V 值，⽽是包括各种副效应所引起的附加电压，因此必须设法消除。

根据副效应产⽣的机理可知，采⽤电流和磁场换向的对称测量法，基本上能把副效应的影响从测量结果中消除。

即在规定了电流和磁场正反向后，分别测量由下列四组不同⽅向的S I 和B 组合的A A V /(/A ，A 两侧的电势差）即
S S
S
S
I B I B I B I B -+--+-++,,,, 4321////V V V V V V V V A A A A A A A A ====
然后求4321V V V V 、、、代数平均值，得：
44321V V V V V H -+-=
通过上述的测量⽅法，虽然还不能消除所有的副效应，但引⼊的误差不⼤，可以忽略不计。

四、实验容：
1、掌握仪器性能，连接测试仪与实验仪之间的各组连线（1）开、关机前，测试仪的“S I 调节”和“M I 调节”旋钮均置零位（即逆时针旋转到底）；
（2）按课本装置图连接测试仪和实验仪之间各组连线。

注意：（1）样品各电机引线与对应的双⼑开关之间的连线已经制造好了，不能再动。

（2）严禁将测试仪的励磁电流的输出接⼝误接到实验仪的其他输⼊输出端⼝，否则⼀旦通电，霍尔样品会被⽴即损毁。

本实验样品的尺⼨为：d=0.5mm,b=4.0mm,l=3.0mm 。

本实验霍尔⽚已处于空隙中间，不能随意改变y 轴⽅向的⾼度，以免霍尔⽚与磁极间摩擦⽽受损。

（3）接通电源，预热数分钟，电流表显⽰“.000”（当按下“测量选择”键时）或“0.00”（放开“测量选择”键时）。

（4）置“测量选择”与S I 档，电压表所⽰的值即虽“S I 调节”旋钮顺时针转动⽽增⼤，其变化围为0-10mA 时电压表H V 所⽰读
数为“不等势”电压值，它随S I 增⼤⽽增⼤，S I 换向，H V 极性改号。

取S I =2mA.
(5)置“测量选择”与M I 挡（按键），顺时针转动“M I 调节”旋钮，电流表变化围为0-1A 此时H V 值随M I 增⼤⽽增⼤，M I 换向，H V 极性改号。

⾄此，应将“M I 调节”旋钮置零位（即逆时针旋转到底）。

(6)放开测量选择键，再测S I ，调节S I ≈2mA,然后将“H V ，σV 输出”切换开关拨向σV ⼀侧，测量σV 电压；S I 换向，σV 也改号。

说明霍尔样品的各电极⼯。