通过霍尔效应测量磁场 (11)
利用霍尔效应测磁场
（5）
即 ＝ ，测出 值即可求 。
3．霍尔效应与材料性能的关系
根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移
率高、电阻率亦较高）的材料。因
，就金属导体而言，迁移率和电阻率
均很低，而不良导体电阻率虽高，但迁移率极小，因而这两种材料的霍尔系数
都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体迁移率高，电阻率适中，是制造霍尔
相等，样品两侧电荷的积累就达 到动态平衡，故有
（1）
（a）
（b）
设试样的宽为b，厚度为d，
图1 霍尔效应实验原理示意图
载流子浓度为n ，则
（a）载流子为电子（N型）；（b）载流子为空穴（P型）
（2）
由（1）、（2）两式可得：
（3）
比例系数 RH
1 ne
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）以及知道 （安）、（高斯）和 （厘米）可按下式计算
（厘米3／库仑）：
（4）
2．霍尔系数与其它参数间的关系
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。判别的
方法是按图1所示的 和 的方向，若测得的
即 点电位高于
点的电位，则 为负，样品属N型；反之则为P型。
1
（２）由RH求载流子浓度n。即 n RH e 。应该指出，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，严格一点，如果考虑载流子
的速度统计分布，需引入 3 的修正因子（可参阅黄昆、谢希德著《半
导体物理学》）。
8
（3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率 。电导率 与载流子浓度 n以及迁移率 之间有如下关系：
【实验目的】
霍尔效应法测量磁场
霍尔效应测磁场霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。
1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象，故称霍尔效应。
后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器，但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。
随着半导体材料和制造工艺的发展，人们又利用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展，现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。
在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。
近年来，霍尔效应实验不断有新发现。
1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性，在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应，这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。
目前对量子霍尔效应正在进行深入研究，并取得了重要应用，例如用于确定电阻的自然基准，可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。
在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍尔效应及其元件是不可缺少的，利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
【实验目的】1．霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2．测绘霍尔元件的V H—Is，了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。
3．学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。
4．学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
【实验原理】霍尔效应从本质上讲，是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。
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在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。
如图13-1所示，磁场B位于Z的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is（称为工作电流），假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿着与电流Is相反的X负向运动。
由于洛仑兹力f L作用，电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转，并使B侧形成电子积累，而相对的A侧形成正电荷积累。
霍尔效应法测量磁场
实验3.7 霍尔效应法测量磁场随着电子技术的不断发展，霍尔器件越来越得到广泛的应用。
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，随着实验电子技术的进展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽（高达10GHz）、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面。
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会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年在研究载流导体载磁场中受力性质时发现的一种电磁现象，后被称为霍尔效应。
【实验目的】1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2．掌握测试霍尔元件的工作特性的方法。
3．学习用霍尔效应测量磁场的方法。
4．学习用“对称测量法”消除副效应的影响。
5．描绘霍尔元件试样的V H− I S和V H− I M曲线。
6．学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布，描绘B - X曲线。
【实验原理】1．霍尔效应法测量磁场原理霍尔效应从本质上讲是指运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起偏转的现象。
当带电粒子（电子或空穴）被约束在固定材料中时，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。
对于图3-20所示的半导体试样，若在X方向通以电流I S ，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A、A' 方向电极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。
图3-20 霍尔效应法测量磁场原理显然，该电场阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受到的横向电场力eE H与洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有eE H （3-44）v eB其中H E 为霍尔电场，v 是载流子在电场方向上的平均漂移速度。
设试样的宽度为b ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则bd v ne I S = （3-45）由式（3-44）和式（3-45）可得dB I R d BI ne b E V S H S H H ===1（3-46） 即霍尔电压V H （A 、A ′电极之间的电压）与I S B 乘积成正比，与试样厚度d 成反比。
实验十一用霍耳效应测磁场
实验十磁场的描绘实验十一用霍耳效应测磁场实验内容1．了解产生霍耳效应的机理。
2. 测量电磁铁气隙中的磁感应强度。
教学要求1．掌握霍耳效应测磁场的原理和方法。
2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响。
实验器材HL-4型霍耳效应仪， TH-H型霍耳效应实验测试仪。
霍耳效应是德国物理学家霍耳（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在他的导师罗兰指导下发现的。
由于这种效应对一般的材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用。
六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，这一效应才在科学实验和工程技术中得到了广泛应用。
利用半导体材料制成的霍耳元件，特别是测量元件，广泛应用于工业自动化和电子技术等方面。
由于霍耳元件的面积可以做得很小，所以可用它测量某点或缝隙中的磁场。
此外，还可以利用这一效应来测量半导体中的载流子浓度及判别半导体的类型等。
近年来霍耳效应得到了重要发展，冯﹒克利青在极强磁场和极低温度下观察到了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数测量的准确性。
在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍耳器件，会有更广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对今后的工作将大有益处。
实验原理霍耳效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑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积累，从而形成附加的横向电场。
如图1所示，把一载流导体板垂直于磁场B放置，如果磁场B垂直于电流I S，那么在导体中垂直于B和I S的方向就会出现一定的电势差V H，这一现象叫做霍耳效应，V H叫做霍耳电势差。
图1 霍尔效应原理图本实验用N型半导体（其载流子为电子），设它的长为l，宽为b，厚为d。
沿Z轴正向加一磁场B，沿X轴正向通一工作电流I S，半导体中的载流子将在Y方向受到一个洛仑兹力f B=e v×B (1)式中e、v分别是载流子的电量和平均漂移速度。
霍尔效应测磁场
霍尔效应测磁场
“霍尔效应”，是一种物理现象，当一个移动电流存在于有磁场
的物体周围时，会在电流和磁场之间产生一个受力，这个受力则能够把电流按照一定规律导引到特定的位置。
在1820年的时候，瑞士物
理学家哈兹贝里霍尔（HeinrichHertz）在研究电磁学时，发现了这
种“霍尔效应”。
霍尔效应在地球上是普遍存在的，它控制着多种电子器件的特性，比如电机、磁开关、扬声器、动力发生器等等。
霍尔效应也用于测量地球表面的磁场强度，比如磁力计、磁谱分析仪和磁性定位系统。
磁力计用来测量地球表面的磁场强度，是利用霍尔效应实现的。
它是一种非接触式传感器，通过被磁场激励的发电磁芯来检测磁场强度，然后通过电路计算得出最终的测量结果。
使用磁力计测量磁场强度，可以用来判断磁脉冲状态。
另外，磁谱分析仪也是用霍尔效应实现的。
磁谱分析仪可以测量出特定位置的磁场强度和方位角，并且可以通过计算得出磁场的分布特性。
磁谱分析仪的精度比磁力计高，更加准确，可以提供更多的细节信息。
最后，磁性定位系统是一种由全球定位系统（GPS）和地磁定位
系统（MLS）共同组成的新型定位系统，也是基于霍尔效应实现的。
它可以通过测量磁场强度和方位角，结合GPS信号来确定特定位置的坐标，从而实现更精准的定位。
从上面可以看出，霍尔效应是地球表面磁场测量的基础，它在磁
力计、磁谱分析仪和磁性定位系统中起到了重要作用。
它为我们提供了一种便捷的手段，测量、分析并定位磁场，为我们在日常生活中的很多场景提供了可靠的磁场信息。
霍尔效应的发展，既给科学技术的发展带来了巨大的改变，也为我们的日常生活提供了很多的便利。
实验41、用霍耳效应法测量磁场
实验41、用霍耳效应法测量磁场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会产生一附加的横向电场，这称之为霍尔效应。
霍尔效应主要用于测定半导体材料电学参数、非电量电测自动控制等方面。
通过这个实验可以重点学习如下内容：1）测量磁场的霍尔效应法。
2）对称测量法。
3）霍尔效应仪的连接和调节。
【实验目的】1）了解产生霍尔效应的物理过程。
2）学会应用霍尔效应测量磁场的原理和方法。
【实验仪器】霍尔效应实验仪【实验原理】霍尔效应是1879年霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
如图所示,一块长为,宽为，厚为的矩形半导体薄片（N型，载流子是电子，带负电），沿Y方向加上一恒定工作电流，沿X方向加上恒定磁场，就有洛仑兹力。
（1）式中：为运动电荷的电量；为电荷运动的速度，沿Z负方向。
在洛仑兹力的作用下，样品中的电子偏离原流动方向而向样品下方运动，并聚积在样品下方。
随着电子向下偏移，在样品上方会多出带正电的电荷（空穴）。
这样，在样品中形成了一个上正下负的霍尔电场，根据，在、面间便有霍尔电压。
当建立起来后，它又会给运动的电荷施加一个与洛仑兹力方向相反的电场力，其大小为。
随着电子在面继续积累，的电场力也逐渐增大，当两力大小相等（即）时，霍尔电场对电子的作用力与洛仑兹力相互抵消，电子的积累达到动态平衡，、间便形成一个稳定的霍尔电场，则有：（2）(3）设N型半导体的载流子浓度为，流过半导体样品的电流密度为（4）则（5）式中, 为半导体薄片的宽度；为半导体薄片的厚度，为载流子的电量。
将（5）式代入（3）式，并令，可得（6）式中称为霍尔系数，它是反应霍尔效应强弱的重要参量。
在实际应用中（6）式常写成（7）式中称为霍尔元件的灵敏度，单位mV/（mA·T）或mV/（mA·kGS）；为霍尔元件的工作电流（单位mA）；为垂直于半导体薄片的磁感应强度（单位T或kGS）。
若已测定，实验中测出样品的工作电流和霍尔电压，利用（7）式便可测得磁感应强度，即（8）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，带正电。
霍尔效应法测磁场的实验报告
霍尔效应法测磁场的实验报告一、实验目的本实验旨在通过霍尔效应法测量不同磁场强度下的霍尔电压，并计算出磁场的大小。
二、实验原理1. 霍尔效应当导体中有电流流过时，如果将另一个垂直于电流方向和导体面的磁场施加在导体上，则会产生一种称为霍尔效应的现象。
该效应表明，在垂直于电流方向和导体面的方向上，将会产生一个电势差，这个电势差就叫做霍尔电压。
2. 磁场大小计算公式根据霍尔效应原理，可以得到计算磁场大小的公式为：B = (VH/IR)×1/K其中，B表示磁场强度；VH表示测得的霍尔电压；I表示通过样品的电流；R表示样品材料的电阻率；K表示霍尔系数。
三、实验器材1. 万用表2. 稳压直流电源3. 磁铁4. 霍尔元件四、实验步骤及数据处理1. 将稳压直流电源接入到霍尔元件上，并设置合适的输出电压和输出电流。
2. 将磁铁放置在霍尔元件的两侧，使磁场垂直于霍尔元件的平面。
3. 测量不同磁场强度下的电压值，并记录数据。
4. 计算出每个电压值对应的磁场大小，并绘制磁场强度与电压之间的关系曲线。
5. 根据实验数据计算出样品材料的电阻率和霍尔系数，并进行比较分析。
五、实验结果分析通过实验测量得到了不同磁场强度下的霍尔电压，根据计算公式可以得到相应的磁场大小。
绘制出了磁场强度与电压之间的关系曲线，可以看出二者呈现线性关系。
通过计算得到样品材料的电阻率和霍尔系数，可以发现不同样品材料具有不同的电阻率和霍尔系数，这也说明了不同材料对于磁场强度的响应程度是不同的。
六、实验结论本次实验通过测量霍尔效应法测量了不同磁场强度下的霍尔电压，并计算出了相应的磁场大小。
通过数据处理得到了样品材料的电阻率和霍尔系数，并进行了比较分析。
实验结果表明，不同材料对于磁场强度的响应程度是不同的，这也为磁场探测提供了一定的参考依据。
利用霍尔片测量磁场的原理
利用霍尔片测量磁场的原理引言：磁场是我们周围普遍存在的物理现象，我们经常需要测量和探测磁场的强度和方向。
霍尔片是一种常见的磁场测量器件，它利用霍尔效应原理实现了对磁场的测量。
本文将详细介绍霍尔片测量磁场的原理和应用。
一、霍尔效应的原理霍尔效应是指在导体中通过的电流受到垂直磁场的作用时，会在导体两侧产生一种电压差，这种现象被称为霍尔效应。
霍尔效应的产生是基于洛伦兹力的作用，即当电流通过导体时，受到垂直磁场的影响，电子会受到一个向侧面偏转的力。
这个力使电子在侧面产生积累，导致电子在侧面形成一个电势差，从而产生霍尔电压。
这个电势差与磁场的强度和电流的大小成正比。
二、霍尔片的结构与原理霍尔片是利用霍尔效应测量磁场的一种器件，它通常由半导体材料制成。
霍尔片的结构包括一个导电层和两个侧面电极。
当有电流通过导电层时，在霍尔片的两侧形成电势差。
电势差的大小与磁场的强度成正比，与电流的大小和导电层的厚度成反比。
三、霍尔片的工作原理霍尔片的工作原理是基于霍尔效应的。
当有电流通过霍尔片时，霍尔片的两侧会产生一个电势差，这个电势差被称为霍尔电压。
霍尔电压的大小与磁场的强度成正比。
通过测量霍尔电压的大小，我们可以间接地得到磁场的强度。
四、霍尔片的应用1. 磁场测量：霍尔片可以用于测量磁场的强度和方向。
通过将霍尔片置于磁场中，测量霍尔电压的大小，可以得到磁场的强度。
根据霍尔电压的正负，可以确定磁场的方向。
2. 电流测量：由于霍尔电压与电流的大小成正比，因此霍尔片还可以用于测量电流的大小。
将霍尔片与待测电流连接，测量霍尔电压的大小，可以得到电流的大小。
3. 位置检测：由于霍尔片对磁场的敏感性，它还可以用于位置检测。
通过将霍尔片置于不同位置，测量霍尔电压的大小，可以确定物体的位置。
五、霍尔片的优缺点1. 优点：a. 灵敏度高：霍尔片对磁场的敏感性高，能够测量较小的磁场强度。
b. 响应速度快：由于霍尔片是基于半导体材料制成的，具有较快的响应速度。
实验十一用霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布
实验十一用霍尔效应法测定螺线管轴向磁感应强度分布一、实验目的1、掌握测试霍尔器件的工作特性；2、学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法；3、学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
二、实验仪器TH-S型螺线管磁场测定实验组合仪。
图11-1三、实验原理1、霍尔效应法测量磁场原理把一半导体薄片放在磁场中，并使片面垂直于磁场方向，如在薄片纵向端面间通以电流，那么，在薄片横向端面间就产生一电势差，这种现象叫做霍尔效应，所产生的电势差叫做霍尔电压，用以产生霍尔效应的半导体片称为霍尔元件。
霍尔效应是由于运动的电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的，如图(11-1)所示，当电子以速率v沿X轴的反方向从霍尔元件的N端面向M端面运动时，电子所受到的沿Z轴方向、强度为B的磁场的作用力为f B=-evB （11-1）式中e为电子电量的绝对值。
f B为电子受到的洛伦兹力，它使电子发生偏移，从而在霍尔元件的P端面聚积起正电荷，在S端面积聚起负电荷，于是在P、S端面间就形成一个电场E H ，称为霍尔电场。
霍尔电场又将产生阻碍电子偏移的电场力f E ，当电子所受到的电场力与磁场力达到动态平衡时，有f E = f B 或 eE H = evB （11-2） 其中v 为电子的漂移速度。
这时，电子将沿X 轴的反方向运动，但此时已在P 端面和S 端面间形成一个电势差V H ，这就是霍尔电压。
设元件的宽度为b ，厚度为d ，电子浓度为n ，则通过霍尔元件的电流为 I=-nevbd（11-3）由(11-2)和(11-3)式可得dIBR d IB ne b E V H H H ==⋅=1 （11-4）即霍尔电压与IB 乘积成正比，与元件厚度d 及电子浓度n 成反比，故采用半导体材料做霍尔元件，并切割得很薄(约0.2mm 左右)。
其中比例系数neR H 1-= 称为霍尔系数，若令 -H K ned =1， 则 V H =K H IB （11-5） 式中K 为霍尔元件的灵敏度，其值已标在仪器上，它表示该器件在单位工作电流和单位磁感应强度下输出的霍尔电压，它的单位取I 为mA 、B 为KGS 、V H 为mV ，则K H 的单位为mV/（mA .KGS ）。
霍尔效应法测量磁场实验报告
霍尔效应法测量磁场实验报告霍尔效应法测量磁场实验报告引言：磁场是物理学中一个重要的概念，它在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
为了准确测量磁场的强度和方向，科学家们发明了多种测量方法。
其中一种常用的方法是利用霍尔效应进行测量。
本实验旨在通过霍尔效应法测量磁场，探究霍尔效应的原理和应用。
实验步骤：1. 实验仪器准备：将霍尔元件、电源、数字万用表等仪器连接好，确保电路连接正确。
2. 调整电路：通过调整电源电压和电流，使得霍尔元件正常工作。
3. 测量电压：用数字万用表测量霍尔元件产生的电势差（霍尔电压）。
4. 改变磁场：通过改变磁场的强度和方向，观察霍尔电压的变化。
5. 记录数据：记录不同磁场条件下的霍尔电压数值，并绘制磁场与霍尔电压的关系曲线。
实验原理：霍尔效应是指当电流通过导体时，如果该导体处于垂直于磁场的情况下，就会在导体两侧产生一种电势差，即霍尔电压。
霍尔电压的大小与磁场的强度和方向有关。
根据霍尔效应的原理，我们可以通过测量霍尔电压来间接测量磁场的强度和方向。
实验结果：在实验中，我们改变了磁场的强度和方向，观察到了相应的霍尔电压变化。
当磁场的强度增加时，霍尔电压也随之增加；当磁场的方向改变时，霍尔电压的正负号也会相应改变。
通过记录数据和绘制曲线，我们可以清晰地看到磁场与霍尔电压之间的关系。
实验讨论：通过实验，我们验证了霍尔效应法测量磁场的可行性。
然而，实验中也存在一些误差和不确定性。
首先，霍尔元件本身的参数和性能可能会对实验结果产生影响。
其次，电路连接的稳定性和准确性也会对测量结果产生影响。
在实际应用中，我们需要对这些因素进行充分考虑，并采取相应的措施来减小误差。
实验应用：霍尔效应法广泛应用于磁场测量和传感器技术中。
通过利用霍尔效应，我们可以制造出各种类型的磁场传感器，用于测量和控制磁场。
例如，在电动汽车中，霍尔效应传感器可以用于测量电动机的转速和位置，从而实现精确的控制。
此外，霍尔效应还可以应用于磁存储器、磁共振成像等领域。
用霍尔效应法测定磁场
注意 1.开机（或关机）前应将IS、IM旋钮逆时针旋到底。仪器接 通电源后，预热数分钟即可进行实验。 2.在调节IS、IM两旋钮时一定要注意切换“测量选择”，不可 过大。
实验思考
霍尔电压是怎么产生的？如何判断材料的导电 类型？
实验中为什么要采用对称测量法？
霍尔效应特性研究试验中，提供的磁感觉强度 大小和方向如何确定？
用霍尔效应法测定磁场
实验目的
了解产生霍尔效应的机理 掌握用霍尔元件测量磁场的基本方法
实验仪器
HL-1型螺线管磁场测定组合仪
实验原理 实验内容
实验思考
实验原理
1. 霍尔效应：在磁场中，载流导体或半导体上 出现横向电势差的现象
1879年美国物理 学家霍尔发现
2.霍尔电压：霍尔效应中产生的电势差 上图中导体上下两端面出现电势差
B
VH fL f
m
B
电荷受电力 Fe qEH
fe Fe
I
v
b
当qEH qB 时
电势差为
VH EH b
E E d
Bb
4.霍尔系数 霍尔电阻 由电流强度的定义有
I nqdb
I nqdb
IB VH Bb nqd
n 单位体积中的粒子数
B
B
VH
fL f
实验思考 答案
然后求
、 、 和
的
代数平均值
V1 V2 V3 V4 VH 4
实验内容与步骤
霍尔输出特性测量
测绘元件的UH—IS曲线
测绘元件的UH—IＭ曲线 测出螺线管轴线的磁感觉强度的分布UH—x 曲线。
霍尔效应实验仪
IS是给霍尔片加电流的换向开关，IM是励磁电流的换向开关。
实验十二用霍尔效应测磁场
实验十二 用霍尔效应测磁场实验目的 1．了解霍尔效应的基本原理。
．了解霍尔效应的基本原理。
2．学习用霍尔效应测量磁场。
．学习用霍尔效应测量磁场。
实验仪器HL —4霍尔效应仪，稳流电源，稳压电源，安培表，毫安表，功率函数发生器，特斯拉计，数字万用表，电阻箱等。
功率函数发生器，特斯拉计，数字万用表，电阻箱等。
实验原理1．霍尔效应．霍尔效应若将通有电流的导体置于磁场B 之中，磁场B （沿z 轴）垂直于电流I H （沿x 轴）的方向，如图4－14－1所示，则在导体中垂直于B 和I H 的方向上出现一个横向电位差U H ，这个现象称为霍尔效应。
效应。
这一效应对金属来说并不显著，但对半导体非常显著。
霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型，是研究半导体材料的重要手段。
还可以用霍尔效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。
用霍尔效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。
大。
用霍尔效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。
霍尔电势差是这样产生的：当电流I H 通过霍尔元件（假设为P 型）时，空穴有一定的漂移速度v ，垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力，垂直磁场对运动电荷产生一个洛沦兹力)(B v F ´=q B （4－14－1）式中q 为电子电荷。
洛沦兹力使电荷产生横向的偏转，洛沦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，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 =q E 与磁场作用的洛沦兹力相抵消为止，即作用的洛沦兹力相抵消为止，即E B v q q =´)( （4－14－2）这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。
这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍尔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 型样品的霍尔电势差有不同的符号，据此可以判断霍尔元件的导电类型。
霍尔效应测磁场
用霍耳效应测量磁场1879年霍耳在研究生期间，研究载流子导体在磁场中受力作用时发现了霍耳效应。
霍耳效应制成的霍耳元件是一种磁电转换元件(又称霍耳传感器)，它具有频率响应宽(从直流到微波)、小型、无接触测量等优点，使它在测试、自动化、计算机和信息处理技术等方面，得到了极为广泛的应用。
近年来霍耳效应又得到了重要的发展，冯·克利青在极强磁场和极低温度下发现了量子霍耳效应，它的应用大大提高了有关基本常数的准确性。
【实验目的】1、了解霍耳效应的机理，掌握其测量磁场的原理。
2、学会用霍耳效应测长直螺线管磁场的方法。
【实验仪器】螺线管磁场测试仪、长直螺线管磁场装置、双刀换向开关。
【实验原理】1.图1如图1所示，设霍耳元件是由均匀的n 型(即参加导电的载流子是电子)半导体材料制成的矩形薄片，其长为L ，宽为b ，厚为d 。
如果在沿X 轴方向的1、2两端按图所示加一稳定电压，则有恒定电流H I 沿X 轴方向通过霍耳元件。
1、2间的等位面平行于YZ 平面。
设3、4是一个等位面，故沿Y 轴方向的电流为0。
假定电流是由沿X 轴负方向、速度为υ的电子运动所形成，电子的电荷为e ，而自由电子的浓度(单位体积内的电子数)为n ，则电流H I (称为霍耳片的工作电流)可表示为: nevbd dtdQI H ==(1) 若在垂直于薄片的Z 轴方向上加一恒定磁场B ，沿负X 轴运动的电子就受到洛伦兹力B f 的作用:evB f B -= (2)B f 的方向指向负Y 轴。
在此力作用下，电子将向左方平面偏移，右方平面剩余正电荷，结果形成一个右正左负的电场E 。
但是，左右两平面的电荷不会进一步的增加，当左右两个平面聚集的电荷所产生的电场对电子的静电作用力E f (指向Y 轴正方向)与洛伦兹力B f (指向Y 轴负方向)相等时，左右两个平面建立起一稳定的电势差，即霍耳电压H V ，电子就能无偏移地从2向1通过半导体(上述过程在短暂的10-13～10-11s 内就能完成)。
北京大学物理实验报告：霍尔效应测量磁场(pdf版)
霍尔效应测量磁场【实验目的】(1) 了解霍尔效应的基本原理(2) 学习用霍尔效应测量磁场【仪器用具】仪器名参数电阻箱∅霍尔元件∅导线∅SXG-1B毫特斯拉仪±(1% +0.2mT) PF66B型数字多用表200 mV档±(0.03%+2)DH1718D-2型双路跟踪稳压稳流电源0~32V 0~2A Fluke 15B数字万用表电流档±(1.5%+3)Victor VC9806+数字万用表200 mA档±(0.5%+4)【实验原理】(1)霍尔效应法测量磁场原理若将通有电流的导体至于磁场B之中，磁场B(沿着z轴)垂直于电流I S(沿着x轴)的方向，如图1所示则在导体中垂直于B和I S方向将出现一个横向电位差U H，这个现象称之为霍尔效应。
图 1 霍尔效应示意图若在x方向通以电流I S，在z方向加磁场B，则在y方向A、A′两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场.当载流子所受的横向电场力F E洛伦兹力F B相等时：q(v×B)=qE此时电荷在样品中不再偏转，霍尔电势差就有这个电场建立起来。
N型样品和P型样品中建立起的电场相反，如图1所示，所以霍尔电势差有不同的符号，由此可以判断霍尔元件的导电类型。
设P型样品的载流子浓度为p，宽度为w，厚度为的d。
通过样品电流I S=pqvwd，则空穴速率v=I S/pqwd，有U H=Ew=I H Bpqwd=R HI H Bd=K H I H B其中R H=1/pq称为霍尔系数，K H=R H/d=1/pqd称为霍尔元件灵敏度。
(2)霍尔元件的副效应及其消除方法在实际测量过程中，会伴随一些热磁副效应，这些热磁效应有：埃廷斯豪森效应：由于霍尔片两端的温度差形成的温差电动势U E能斯特效应：热流通过霍尔片在其端会产生电动势U N里吉—勒迪克效应：热流通过霍尔片时两侧会有温度差产生，从而又产生温差电动势U R除此之外还有由于电极不在同一等势面上引起的不等位电势差U0为了消除副效应，在操作时我们需要分别改变IH和B的方向，记录4组电势差的数据当I H正向，B正向时：U1=U H+U0+U E+U N+U R当I H负向，B正向时：U2=−U H−U0−U E+U N+U R当I H负向，B负向时：U3=U H−U0+U E−U N−U R当I H正向，B负向时：U4=−U H+U0−U E−U N−U R取平均值有14(U1−U2+U3−U4)=U H+U E≈U H(3)测量电路图 2 霍尔效应测量磁场电路图霍尔效应的实验电路图如图所示。
霍尔效应测量磁场实验报告
霍尔效应测量磁场实验报告霍尔效应测量磁场实验报告引言：霍尔效应是指当电流通过导体时，垂直于电流方向的磁场会引起导体中的电荷分布不均匀，从而产生电势差。
这一效应在磁场测量中有着广泛的应用。
本实验旨在通过使用霍尔效应测量磁场的方法，了解霍尔效应的原理，并通过实验验证霍尔效应的可行性。
实验仪器和材料：1. 霍尔效应测量仪2. 磁铁3. 电源4. 导线5. 铜片实验步骤：1. 将霍尔效应测量仪连接到电源上，确保电源正常工作。
2. 将磁铁放置在霍尔效应测量仪的一侧，使其产生一个均匀的磁场。
3. 将铜片固定在测量仪的另一侧，使其与磁场垂直。
4. 调整电源的电流大小，记录下相应的电势差值。
5. 移动磁铁的位置，重复步骤4，记录不同位置下的电势差值。
6. 根据记录的数据，绘制出电势差与磁场强度的关系曲线。
实验结果：根据实验数据绘制的曲线显示，电势差与磁场强度之间存在线性关系。
随着磁场强度的增加，电势差也随之增加。
这一结果与霍尔效应的原理相符。
讨论：在本实验中，我们利用霍尔效应测量了磁场的强度。
霍尔效应的基本原理是，当导体中的电荷受到磁场的作用时，会在导体内部产生一个电势差。
通过测量这个电势差，我们可以间接地得到磁场的强度。
在实验中，我们使用了铜片作为导体。
铜具有良好的电导率和热导率，因此非常适合用于霍尔效应的测量。
通过调整电流大小和移动磁铁的位置，我们可以得到不同磁场强度下的电势差值。
通过绘制电势差与磁场强度的关系曲线，我们可以得到一个直观的结果。
实验结果显示，电势差与磁场强度之间存在线性关系。
这一结果与霍尔效应的原理相符。
根据霍尔效应的数学表达式，电势差与磁场强度之间的关系应该是线性的。
因此，我们的实验结果验证了霍尔效应的可行性。
结论：通过本实验，我们成功地利用霍尔效应测量了磁场的强度。
实验结果显示，电势差与磁场强度之间存在线性关系，这与霍尔效应的原理相符。
因此，我们可以得出结论，霍尔效应是一种可靠的测量磁场的方法。
霍尔效应法测量磁场
3、实验方法可以根据实验原理线圈个数和线 圈之间的间隔距离，再根据设计参数在半 径为R的非金属圆管绕制对应线圈，然后 想办法固定在霍耳效应仪上，用霍耳效应 法测量磁场的方法，测量新制线圈轴线上 的磁场分布。
4、实验思考，如何计算线圈内任一点的磁场 强度，均匀性如何？实验如何验证？
实验基本要求
1、线圈半径R不变（以霍耳效应仪中姆霍兹线 圈相同），总线圈长度尽可能短不大于3R， 均匀磁场的宽度大于1.2R（磁场变化控制在 2.0%以内），线圈个数大于2个。
2、给出理论计算模型及计算结果（包括图表 和曲线）；
3、设计改良型姆霍兹线圈，并安装在霍耳效 应仪
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AHEAD（Advanced Hit Efficiency And Destruction）弹实物图
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建议研究内容
1、根据单个线圈轴线上的磁感应强度B的计算公式：
B 0 R2NI 2 (R2 x2 )32
4、通过实验，给出测量数据（包括图表和曲 线），并对测量结果分析；
5、总结本实验研究结论，有何特点或创新点， 如果理论结果和实验结果不吻合，说明理由；
6、完成一篇符合规范要求的实验研究论文或 实验研究报告 。
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提示
1、理论研究中根据单个线圈轴线上的磁感应 强度B的计算公式和磁场叠加原理，建议采 用工程计算及数据分析软件MATLAB软件 工具进行仿真，得到线圈个数、每个线圈 的匝数、各线圈的排序及各线圈间的相对 距离（总长不能超过3R）。
UH
1 4
U1
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U3
U4 UH
大学物理实验讲义实验12用霍尔效应法测量磁场
实验 16 用霍尔效应法测量磁场在工业生产和科学研究中，经常需要对一些磁性系统或磁性材料进行测量，被测磁场的范围可从 10 15 ~ 103 T（特斯拉），测量所用的原理涉及到电磁感应、磁光效应、热磁效应等。
常用的磁场测量方法有核磁共振法、电磁感应法、霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉器件法等近十种。
一般地，霍尔效应法用于测量 10 4 ~ 10 T 的磁场。
此法结构较简单，灵敏度高，探头体积小、测量方便、在霍尔器件的温度范围内有较好的稳定性。
但霍尔电压和内阻存在一定的温度系数，并受输入电流的影响，所以测量精度较低。
用半导体材料制成的霍尔器件，在磁场作用下会出现显著的霍尔效应，可用来测量磁场、霍尔系数、判断半导体材料的导电类型（ N 型或 P 型）、确定载流子（作定向运动的带电粒子）浓度和迁移率等参数。
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广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面，如测量强电流、压力、转速等，在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更为广阔的应用前景。
了解这一富有实用性的实验，对于日后的工作将有益处。
【实验目的】1.了解霍尔效应产生的机理。
2.掌握用霍尔器件测量磁场的原理和基本方法。
3.学习消除伴随霍尔效应的几种副效应对测量结果影响的方法。
4.研究通电长直螺线管内轴向磁场的分布。
【仪器用具】TH-H/S 型霍尔效应 /螺线管磁场测试仪、TH-S 型螺线管磁场实验仪。
【实验原理】1.霍尔效应产生的机理置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，载流体的两侧会产生一电位差，这个现象是美国霍普斯金大学二年级研究生霍尔于1879 年发现的，后被称为霍尔效应，所产生的电位差称为霍尔电压。
特别是在半导体样品中，霍尔效应更加明显。
霍尔电压从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。
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实验2.3.1 通过霍尔效应测量磁场
姓名：金秀儒
学号：pb05206218 实验题目：通过霍尔效应测量磁场
实验目的：
通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。
实验仪器：
QS-H霍尔效应组合仪，小磁针，测试仪。
实验原理：
1通过霍尔效应测量磁场:
霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。
将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A’上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力FB的作用，FB = q u B
无论载流子是负电荷还是正电荷，FB的方向均沿着x方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B、B’两侧产生一个电位差VBB’,形成一个电场E。
电场使载流子又受到一个与FB方向相反的电场力FE，FE＝q E = q VBB’ / b其中b为薄片宽度，FE随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时FE＝FB，即q uB = q VBB’ / b这时在B、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B、B’称为霍尔电极。
另一方面，射载流子浓度为n,薄片厚度为d,则电流强度I与u的关系为：
I
bdnqu
可得到
d IB R
V B B ='
R 称为霍尔系数，它体现了材料的霍尔效应大小。
根据霍尔效应制作的元件称为霍尔元件。
在应用中，常以如下形式出现：
IB K V H B B ='
式中nqd d R K H 1=
=称为霍尔元件灵敏度，I 称为控制电流。
，若I 、KH 已知，只要测
出霍尔电压VBB’，即可算出磁场B 的大小；并且若知载流子类型(n 型半导体多数载流子为电子，P 型半导体多数载流子为空穴),则由VBB’的正负可测出磁场方向，反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。
由于霍尔效应建立所需时间很短(10-12~10-14s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可。
指示交流电时，得到的霍尔电压也是交变的，I 和VBB’应理解为有效值。
2.霍尔效应实验中的副效应
在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。
例如实际中载流子迁移速率u 服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。
这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。
这种横向温差就是温差电动势VE ，这种现象称为爱延豪森效应。
这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。
此外，在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差，这是因为霍尔电极B 、B’不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。
由于目前生产工艺水平较高，不等位电动势很小，故一般可以忽略，也可以用一个电位器加以平衡(图2.3.1-1中电位器R1)。
我们可以通过改变IS 和磁场B 的方向消除大多数付效应。
具体说在规定电流和磁场正
可以忽略不计。
电导率测量方法:设B’C 间距离为L ，样品横截面积为S=bd ，流经样品电流为IS ，在零磁场下，测得B’C 间电压为VB’C,根据欧姆定律可以求出材料的电导率。
实验内容：
1.保持IM 不变，取IM ＝0.45A ，IS 取1.00,1.50……,4.50mA ，测绘VH-IS 曲线。
2.保持IS 不变，取IS ＝4.50mA ，IM 取0.100,0.150……,0.450A ，测绘VH-IM 曲线。
3.在零磁场下，取IS=0.1mA ，测VB ’C(即V)。
4.确定样品导电类型，并求 n 、u 、σ 。
数据处理及结论：
Hall 元件参数：b=3.0mm;d=0.20mm;L=5.0mm='CB ;线圈参数：5000 GS/A 1. M I =0.45A ，Is 取1.00,1.50……,4.50mA ，测绘Is Vh -||关系曲线。
2. S I =4.5mA ，M I 取0.100,0.150……,0.450A ，测绘Im ||-Vh 关系曲线。
3.零磁场： Is=0.1mA;AC V =-8.14mV;
4.判断载流子类型：
如图所示：
电流方向为A-A ’ ，通过小磁针判断磁场方向指向纸外，又上板电势高，下板电势底， 可判断载流子为电子。
Hall 元件参数：b=3.0mm;d=0.20mm;L=5.0mm='CB ;
由Is Vh -||关系曲线可得，斜率k 为2.87315 )(1-⋅mA mV =2.87315 )(1-⋅A V B=线圈参数×Im =Gs A A Gs 225045.0/5000=⨯
其单位由CGSM 制转换成SI 制（Gs T 4101=）可得，T B 4102250-⨯= 因此， Hall 系数
)(911.553210225002.0/87315.2134
'--⋅=⨯⨯=⋅=⋅=
C cm T
cm
A V
B d k IB V d R BB H 载流子浓度
)(10447.210
6.1911.2553113
1519
--⨯=⨯⨯=
⋅=
cm e
R n H 电导率
)(375.1022.00.314.80.51.01-⋅=⨯⨯⨯=⋅⋅⋅=
m S mm
mm mV mm
mA d b V l Is AC σ
载流子迁移率
)(261.0)(911.5532)(375.102112131----⋅⋅=⋅⨯⋅=⋅=⋅=
s V m C cm m S R n
e H σσ
μ
误差分析及讨论：
本实验的误差主要来源有如下述：
(1) Hall 元件若预热不充分会产生误差；
(2) 使用Hall 元件时存在不等位电势差以及其他不对称因素引起的误差； (3) 使用Hall 元件时存在副效应导致的误差；
由于实验中测试仪读数比较稳定，故读数误差较小，主要是仪器误差；
思考题：
1. 若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，对测量结果有何影响，如何用实验方法判断B
与元件法线是否一致？ 答：
若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，偏离不大时，磁场产生切向分量，导致B 偏小，测量结果与实际数值相比偏大。
用实验方法判断B 与元件法线是否一致。
既然与霍尔元件法线不一致磁场的测量结果与实际数值相比偏小，则实验中大致将Hall 元件置于气隙中央后，接通工作电压和输出电压，使测量结果取得最小值，即磁场与Hall 元件法线一致处。
上述方法操作较繁，在精度要求不太高的情况下，可以使电流反向，若H V 与'H V 相差不大，即可以认为B 与元件法线一致。
2. 能否用霍尔元件测量交变磁场？
答：可以。
因为霍尔效应建立所需时间很短(大约s 1412
1010
---),因此霍尔元件也可以测量
交变磁场。
测量交流电时，得到的霍尔电压也是交变的。
物理三班 金秀儒 4+ 田 10.31
实验操作比较熟练。
数据处理正确，但思考题有错误。