FD-HL-5 霍尔效应说明书

FD-HL-5型霍耳效应实验仪产品说明书上海复旦天欣科教仪器有限公司中国上海FD-HL-5型霍耳效应实验仪一．概述霍耳元件因其体积小，使用简便，测量准确度高，可测量交、直流磁场等优点，已广泛用于磁场的测量。

并配以其他装置用于位置、位移、转速、角度等物理的测量和自动控制。

本霍耳效应实验仪主要帮助学生了解霍耳效应的实验原理，测量霍耳元件的灵敏度，并学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。

FD-HL-5型霍耳效应实验仪具有以下优点：1．采用砷化镓霍耳元件（样品）测量。

该霍耳元件具有灵敏度高，线性范围广，温度系数小的特点。

由于霍耳元件的工作电流小（小于5mA），电磁铁的励磁电流也小（小于0.5A），因而实验数据稳定可靠。

2．实验电路布局设计合理，更多地从教学的实际效果和科研的应用考虑。

如待测样品和探测元件的形状结构学生可明显观察；用1个数字电压表可分别测量霍耳电压和霍耳电流（通过取样电阻）等。

实验教学效果很好。

3．仪器具有保护装置使用寿命长。

本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验、设计性实验和演示实验。

二、技术指标1.直流稳流电源及数字式电流表。

量程0-500mA，分度值1mA。

2.四位半数字电压表。

量程0－2V，分度值0.1ｍV。

3.数字式特斯拉计。

量程0-0. 35T ，分度值0.0001T 。

4.电磁铁。

间隙3mm 。

5.待测砷化镓霍耳元件。

实验时，工作电流一般小于3m A 。

（最大电流不得超过5ｍA ）三、实验仪器简图（1）实验仪器结构如图1所示。

（2）电源插头各引线对应的输入输出端简介：1和2端为样品（砷化镓传感器）直流恒流源;3和4端为式特斯拉计探测所用电源；FD －HL －5 霍耳效应实验仪电磁铁直流电源 电流调节 数字电压表 霍耳电流调节 毫特计调零 上海复旦天欣科教仪器有限公司 开关ｍAｍV ｍT 图1仪器面板图图2电源插头各引线对应的输入端5和6端为数字式特斯拉计探测器输出电压端（接显示器）。

（3）砷化镓霍耳传感器引脚介绍。

1和3脚电源输入端；2和4脚为输出霍耳电势差 四、使用注意事项1． 仪器应预热15分钟，待电路接线正确，方可进行实验。

2． 直流稳流电源（0-500mA ）与电磁铁相接，直流稳压电源用于提供霍耳元件工作电流（0-5mA ），相互不能互换。

接错时，易将霍耳元件超过工作电流损坏。

3． 霍耳元件易碎，引线也易断，不可用手折碰。

砷化镓元件通过电流小于5mA ，使用时应细心。

4． 电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长，否则线圈易发热，影响实验结果。

励磁电流I M 不得超过0.5A ，用外接其电流电源时须注意。

（黄） （黑） （绿） （红） （线） 图3砷化镓霍耳传感器外型图用霍耳传感器测磁场（以下讲义由复旦大学物理教学实验中心提供）当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，导电体两侧产生电势差的现象。

1879年为美国物理学家霍耳所发现，此现象称霍耳效应。

一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。

N 型锗、锑化铟、磷砷化铟、砷化镓等霍耳系数很高的半导体材料，常被用于制作霍耳元件。

砷化镓霍耳元件尤以灵敏度高、线性范围广和温度系数小等优点，在磁场测量中经常被应用。

对磁感应强度的测量，用霍耳元件优点是使用简便，探头小，适用计量小范围磁场，这种方法测量的相对不确定为10-2—10-3。

本实验要求学习者深入了解霍耳效应的基本原理；学习测量霍耳元件灵敏度的方法以及用霍耳元件测量磁场。

实验原理1、 霍耳效应霍耳电势差是这样产生的：当电流I H通过霍耳元件（假设为P 型）时，空穴有一定的漂移速度υ，垂直磁场对运动电荷产生一个洛伦兹力。

F B =q （υ×B ） （1）式中q 为电子电荷，洛伦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E ，直到电场对载流子的作用力F E =qE 磁场作用的洛伦兹力相抵消为止，图1 霍耳效应简图即q（υ×B）= qE （2）这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。

如果是N型样品，则横向电场与前者相反，所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。

设P型样品的载流子浓度为p，宽度为ω，厚度为d，通过样品电流I H=pqυωd，则空穴的速度υ=I H/pqωd代入（2）式有E=┃υ×B┃=I H B/pqωd（3）上式两边各乘以ω，便得到U H= Eω= I H B/pqd= R H ×I H B/d（4）R H=1/pq称为霍耳系数，在应用中一般写成U H= I H K H B（5）比例系数K H=R H/d=1/p q d称为霍耳元件灵敏度，单位为mV/（mA·T），一般要求K H愈大愈好。

K H与载流子浓度p成反比，半导体内载流子浓度远比金属载流子浓度小，所以都用半导体材料作为霍耳元件。

与K H厚度d成反比，所以霍耳元件都做得很薄，一般只有0.2mm厚。

由公式(5)可以看出，知道了霍耳片的灵敏度K H，只要分别测出霍耳电流I H及霍耳电势差U H就可算出磁场B的大小，这就是霍耳效应测磁场的原理。

2、用霍耳元件测磁场磁感应强度的计量方法很多，如磁通法、核磁共振法及霍耳效应法等。

其中霍耳效应法具有能测交直流磁场，简便、直观、快速等优点，应用最广。

如图2所示。

直流电源E 1为电磁铁提供励磁电流I M ，通过变阻器R 1，可以调节I M 的大小。

电源E 2通过可变电阻R 2（用电阻箱）为霍耳元件提供霍耳电流I H ，当E 2电源为直流时，用直流毫安表测霍耳电流，用数字万用表测量霍耳电压；当E 2为交流时，毫安表和毫伏表都用数字万用表测量。

图2测量霍耳电势差电路半导体材料有N 型（电子型）和P 型（空穴型）两种，前者载流子为电子，带负电；后者载流子为空穴，相当于带正电的粒子。

由图可以看出，若载流子为电子则4点电位高于3点电位，U H3·4 ＜0；若载流子为空穴则4点电位低3点电位的，电位于U H3·4＞0，如果知道载流子类型则可以根据U H 的正负定出待测磁场的方向。

E 1K 1R 1 K 3 E 2K 2 R 2由于霍耳效应建立电场所需时间很短（经10-12~10-14s），因此通过霍耳元件的电流用直流或交流都可以。

若霍耳电流I H=I0sinωt，则U H= I H K H B= I0 K H Bsinωt（6）所得的霍耳电压也是交变的。

在使用交流电情况下（5）式仍可使用，只是式中的I H和U H应理解为有效值。

3，消除霍耳元件副效应的影响在实际测量过程中，还会伴随一些热磁副效应，它使所测得的电压不只是U H，还会附加另外一些电压，给测量带来误差。

这些热磁效应有埃廷斯豪森效应，是由于在霍耳片两端有温度差，从而产生温差电动势U E，它与霍耳电流I H、磁场B方向有关；能斯特效应，是由于当热流通过霍耳片（如1，2端）在其两侧（3，4端）会有电动势U N产生，只与磁场B和热流有关；里吉-勒迪克效应，是当热流通过霍耳片时两侧会有温度产生，从而又产生温差电动势U R，它同样与磁场B热场有关。

除了这些热磁副效应外还有不等位电势差U0。

它是由于两侧（3，4）的电极不在同一等势面上引起的。

当霍耳电流通过1，2端时，即使不加磁场，3和4端也会有电势差U0产生，其方向随电流I H方向而改变。

因此，为了消除副效应的影响，在操作时需要分别改变I H的方向和B的方向，记下四组电势差数据（K1，K2换向开关“上”为正）：当I H正向，B为正向时，U1= U H+ U0+ U E+ U N+ U R，当I H负向，B为正向时，U2= -U H- U0-U E+ U N+ U R当I H负向，B为负向时，U3= U H- U0+U E- U N- U R当I H正向，B为负向时，U4= -U H+U0-U E- U N- U R作运算，U1- U2+ U3- U4并取平均值，有1/4（U1- U2+ U3- U4）=U H+ U E （7）由于U E方向始终与U H相同，所以换向法不能消除它，但一般U E«U H，故可以忽略不计，于是U H=1/4（U1- U2+ U3-U4）（8）在实际使用时，上式也可写成U H＝1/4（｜U1｜＋｜U2｜＋｜U3｜＋｜U4｜）（9）其中U H符号由霍耳元件是P型，还是N型决定。

实验仪器霍耳效应实验仪由可调直流稳压电源(0-500mA)、直流稳流电源(0-5mA)、直流数字电压表，数字式特斯拉计、直流电阻(取样电阻)电磁铁、霍耳元件(砷化镓霍耳元件)、双刀双向开关、导线等。

实验电路如图3所示。

图3（ａ）仪器外型图图3（ｂ）图3实验线路图实验内容一、必做实验，直流磁场情况下的霍耳效应与霍耳元件的灵敏度测量。

1.测量霍耳电流I H 与霍耳电压U H 的关系。

将霍耳片置于电磁铁中心处，按图3接好电路图。

霍耳元件的1,3V 霍耳元件取样电阻 直流电源输入图3（ｃ）通过霍耳元件的电流与霍耳电势差的测量简图脚接工作电压，2,4脚测霍耳电压。

励磁电流I M=0.400A。

调节霍耳元件的工作电源的电压，使通过霍耳元件的电流分别为0.5 mA、1.0mA、1.5 mA 、2.0 mA 、3.0mA 测出相应的霍耳电压，每次消除副效应。

作U H-I H图，验证I H与U H的线性关系。

2.测量砷化镓霍耳元件的灵敏度K H学会数字式特斯拉计的使用。

特斯拉计是利用霍耳效应制成的磁感应强度测试仪。

本数字式特斯拉计由极薄的半导体砷化镓材料制成。

较脆、请勿用手折碰，操作时须小心。

霍耳电流保持I H取1.00mA。

由1，3端输入。

励磁电流I M分别取0.05A、0.1A、0.15A、0.20A…、0. 55A分别测出磁感应强度B的大小和样品霍耳元件的霍耳电压U H用公式（5）算出该霍耳元件的灵敏度。

（N型霍耳元件灵敏度为负值）。

3.用砷化镓霍耳元件测量矽钢片材料磁化曲线。

在测得砷化镓霍耳元件灵敏度后，用该霍耳元件测电磁间隙中磁感应强度B。

霍耳电流保持在I H=1mA。

改变励磁电流以从0－0.5A，每隔0.1A测1点B 和I M值。

作B－I M曲线。

测得霍耳电压时要消除副效应。

二、选做实验：交流霍耳电流I H测磁场1.测量电磁铁磁场沿水平方向分布调节支架旋钮，使霍耳元件从电磁铁左端处移到右端。

固定励磁电流在I M=0.4A，霍耳电流I H=1mA，磁铁间隙中磁感应强度由数字式特斯拉计测量，X位置由支架上水平标尺上读得，测量磁场随水平X方向分布B-X曲线。

（磁场随方向分布不必考虑消除副效应）。

2.用函数发生器中正弦波替代直流稳压电源，使f=500Hz，保持霍耳电流I H＝4 mA，电磁铁励磁电流依次为交流电流0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A，由霍耳元件直流电压由1，3端输入，测量霍耳电压U H，算出相应的磁场，作B-I M图。