1、實驗3-22霍爾效應測磁感應強度 【實驗簡介】德國物理學家霍爾（E.H.Hall）1879年研究載流導體在磁場中受力的性質時發現，任何導體通以電流時，若存在垂直于電流方向的磁場，則導體內部產生與電流和磁場方向都垂直的電場，這一現象稱為霍爾效應，它是一種磁電效應(磁能轉換為電能)。二十世紀五十年代以來，由于半導體工藝的發展，先后制成了多種有顯著霍爾效應的材料，這一效應的應用研究也隨之發展起來。現在，霍爾效應已在測量技術、自動化技術、計算機和信息技術等領域得到了廣泛的應用。在測量技術中，典型的應用是測量磁場，其特點是：響應速度快，既能測穩恒磁場，也可測交流磁場，亦能測量脈寬為ms的脈沖磁

2、場；能在很小的空間體積(零點幾立方毫米)和小氣隙中測磁場，現在霍爾元件可以做到10mm2的大小；測量范圍大，可以從10T的強磁到10-7T的弱磁；可以同時利用多個霍爾元件探頭，以便實現自動化測量和數據處理；無接觸、壽命長、成本低。測量磁場方法不少，但其中以霍爾效應為機理的測磁方法因結構簡單、體積小、測量速度快等優點而有著廣泛的應用，本實驗就是采用這種方法。通過本實驗了解霍爾效應的物理原理，掌握用磁電傳感器霍爾元件測量磁場的基本方法，學習用異號法消除不等位電壓產生的系統誤差。了解UJ31型電位差計的結構，掌握其使用方法。 【預習操作要點】1霍爾效應測量磁場方法霍爾效應實質上是運動電荷在

3、磁場中受到洛侖磁力的作用后發生偏轉而產生的，當霍爾電場力與洛侖磁力平衡時，霍爾片中載流子不在遷移，這樣就在霍爾片的上下兩個平面間形成了恒定的電位差霍爾電位差UH，實驗測定系數RH=1/ne稱為霍爾系數，是反映材料霍爾效應強弱的重要參數，載流子濃度n越小,則RH越大，UH也越大，所以只有當半導體(n比金屬的小得多)出現以后，霍爾效應的應用才得以發展。對于特定的霍爾元件，其厚度d確定，定義霍爾靈敏度KH=RH /d，KH與霍爾片的材料性質、幾何尺寸有關，對于一定的霍爾片，其為常數。這樣上式是霍爾效應測磁場的基本理論依據，只要已知KH，用儀器測出I及UH，則可求出磁感應強度B。2霍爾電壓UH的測量在

4、對霍爾片上電壓UH進行測量時，測量所得到的電壓值包含了電熱和溫差電現象等因素帶來的附加電壓，這些附加電壓中以不等位電壓U0的影響最大，而其它影響在常溫下較小，可忽略不計。所謂不等位電壓，是指由于霍爾片本身不均勻、電極位置的不對稱，導致電流引出端的電位不等。顯然，不等位電壓U0只與霍爾片的工作電流I有關，且隨電流I的換向而換向，所以實際測得的電壓U可以認為是霍爾電壓UH與不等位電壓U0的代數和。為了消除不等位電壓，實驗中常采用異號測量法進行，即改變通過霍爾片的工作電流I的方向，將兩次測量的電壓值代數平均，也就是時時可得3測量系統測量系統如圖4-22-4所示，霍爾電壓螺線管磁場測量儀由霍爾元件P、

5、長螺線管及相應的開關組成。霍爾元件P已置于長螺線管的中心軸線上，其平面與螺線管軸線垂直，工作電流和霍爾電壓引線已分別接入各自的換向開關K1和K2。通電螺線管提供了一個與霍爾元件垂直的均勻磁場，其激磁電流引線已接入換向開關K3。 霍爾元件的工作電流由甲電池經滑線變阻器分壓后提供，其大小由毫安表測量。激磁電流由雙路穩壓電源的穩流端提供，其大小由安培表測量。由于霍爾電壓UH只有幾個毫伏，本實驗用測量精度較高的UJ31型低電勢直流電位差計測量，電位差計工作電源由雙路穩壓電源的穩壓端提供，電壓應調節在5.76.4V之間；在其電流計端子上接入一復射式靈敏電流計。由于霍爾效應應用的發展，霍爾元件也

6、已制成產品，每個霍爾元件均注明有材料類型、KH（mV/mA·T）值、最大工作電流、電阻、幾何尺寸等參數。一般霍爾元件是長方形，長的方向為工作電流端，寬的方向為霍爾電壓測試端。實驗所用霍爾元件的KH值由實驗室給出。4了解UJ31型低電勢直流電位差計原理，掌握其使用方法UJ31型低電勢直流電位差計的測量精度較高(0.05級),其結構和原理如圖4-22-5所示。（1）構成部分 從面板圖可以看出,電位差計主要由六部分組成:工作電流調節部分（RP1、RP2、RP3）；標準電池定標補償部分（RNP）；測量回路部分（、）；量程變換開關（K1¢）；測量轉換開關（K2¢）

7、；電鍵按鈕（粗、細、短路）及接線端鈕。（2）測量范圍測量范圍分為兩檔，當K1¢置于×1檔時，測量范圍為017.1毫伏，最小分度是0.1微伏（游標讀數）；當K1¢置于×10檔時，測量范圍為0171毫伏，最小分度是1微伏（游標讀數）。（3）工作原理為了測量很小的電位差，并便于定標和測量，定標補償回路和測量補償回路分開，從圖4-22-5的原理圖可以看出，其結構由三個回路構成。 定標補償回路A這一回路用來確定電位差計的工作電流。把轉換開關K2¢置在標準位置，則回路A接通，其中標準電阻RNP由一個阻值為101.75W（各電位差計有所差別）的固定電阻RS和

8、十幾個0.01W的電阻RS¢組成，置RNP等于標準電池ES的值（若ES=1.0186V，則RS+ RS¢=101.86W），調節電阻RP，使靈敏電流計指零，則電位差計達到所需的工作電流（10mA），定標工作完成。測量補償回路B這一回路用來測量未知電動勢，可以同時測量兩個不同的電動勢，便于往復地對兩組未知量進行測量和比較。轉換開關K2¢置于未知1（或未知2）位置，調節、三個旋鈕，使電流計指零，三個旋鈕的讀數和就是待測電動勢的值。 工作主回路C此回路提供電位差計的工作電流，電阻RP用以調節回路的電流，當工作電源電壓小于5.7伏或大于6.4伏時，無論如何調節RP均不能使電位差計的工作電流達到10mA。電鍵按鈕“粗”、“細”、“短路”都與靈敏電流計相連。“短路”按鈕按下時，靈敏電流計兩端短路，是完全過阻尼狀態，在電磁阻力的作用下，可以使擺動的靈敏電流計光標迅速回到零點。“粗”按鈕按下時，給靈敏電流計串聯一個電阻，起保護作用。“細”按鈕按下，保護電阻被短路，直接進行細調。注意：不測量時應將K2¢置于“斷”的位置，尤其不應長時間放在“標準”位置。  【實驗儀器】UJ31型低電勢直流電位差計，復射式靈敏電流計，穩流穩壓雙路電源，滑線變阻器，直流輸出電源，標準電池，