大学物理实验报告霍尔效应

第一篇：大学物理实验报告霍尔效应

大学物理实验报告霍尔效应

一、实验名称：霍尔效应原理及其应用

二、实验目的：

1、了解霍尔效应产生原理；

2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；

3、学习用 霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分 布；

4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。

三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)

四、实验原理：

1、霍尔效应现象及物理解释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于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1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向 加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的 电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力 时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样 品

A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流 方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1)

因为，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要 参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。

根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(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(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子 浓度，即。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，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电 导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)

2、霍尔效应中的副效应 及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述 霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。

(1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向 运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧 面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。

可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是 引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。

若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效 应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应 同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与 的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均 匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即 使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与 的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔

效应 电压与副效应产生的附加电压的代数和。可以通过对称测量方法，即改变和磁 场的方向加以消除和减小副效应的影响。在规定了电流和磁场正、反方向后，可以测量出由下列四组不同方向的和组合的电压。即：，：，：，：，：然后 求，，的代数平均值得：

通过上述测量方法，虽然不能消除所有的副效应，但较小，引入的误差不 大，可以忽略不计，因此霍尔效应电压可近似为(1-6)

3、直螺线管中的磁场分 布

1、以上分析可知，将通电的霍尔元件放置在磁场中，已知霍尔元件灵敏度，测量出和，就可以计算出所处磁场的磁感应强度。(1-7)

2、直螺旋管离中点处 的轴向磁感应强度理论公式：(1-8)式中，是磁介质的磁导率，为螺旋管的匝数，为通过螺旋管的电流，为螺旋管的长度，是螺旋管的内径，为离螺旋管中点的 距离。X=0 时，螺旋管中点的磁感应强度(1-9)

五、实验内容：测量霍尔元件的、关系；

1、将测试仪的“调节”和“调节”旋 钮均置零位(即逆时针旋到底)，极性开关选择置“0”。

2、接通电源，电流表显 示“0.000”。有时，调节电位器或调节电位器起点不为零，将出现电流表指示末 位数不为零，亦属正常。电压表显示“0.0000”。

3、测定关系。取=900mA，保持 不变；霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm 处与读数零点对 齐)。顺时针转动“调节”旋钮，依次取值为1.00，2.00，…，10.00mA，将和极 性开关选择置“+”和“-”改变与的极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记 录表 1。

4、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。

5、测定关系。

取=10 mA,保持不变；霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm 处与读数零点对齐)。顺时针转动“调节”旋钮，依次取值为0，100，200，…，900 mA，将和极性开关择置“+”和“-”改变与的极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记录表2。

6、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。测 量长直螺旋管轴向磁感应强度

1、取=10 mA，=900mA。

2、移动水平调节螺钉，使霍尔元件在直螺线管中的位置(水平移动游标尺上读出)，先从 14.00cm 开始，最后到0cm 点。改变和极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记录表3，计算出直螺旋管轴向对应位置的磁感应强度。

3、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。

4、用公式(1-8)计算长直螺旋管中心的磁感应强度的理 论值，并与长直螺旋管中心磁感应强度的测量值比较，用百分误差的形式表示 测量结果。式中,其余参数详见仪器铭牌所示。

六、注意事项：

1、为了消除副 效应的影响，实验中采用对称测量法，即改变和的方向。

2、霍尔元件的工作电 流引线与霍尔电压引线不能搞错；霍尔元件的工作电流和螺线管的励磁电流要 分清，否则会烧坏霍尔元件。

3、实验间隙要断开螺线管的励磁电流与霍尔元件 的工作电流，即和的极性开关置0 位。

4、霍耳元件及二维移动尺容易折断、变 形，要注意保护，应注意避免挤压、碰撞等，不要用手触摸霍尔元件。

七、数 据记录：KH=23.09，N=3150 匝，L=280mm,r=13mm 表1 关系(=900mA)(mV)(mV)(mV)(mV)

1.00 0.28-0.27 0.31-0.30 0.29 2.00 0.59-0.58 0.63-0.64 0.613.00 0.89-0.87 0.95-0.96 0.904.00 1.20-1.16 1.27-1.29 1.235.00 1.49-1.46

1.59-1.61 1.546.00 1.80-1.77 1.90-1.93 1.857.00 2.11-2.07 2.22-2.25

2.178.00 2.41-2.38 2.65-2.54 2.479.00 2.68-2.69 2.84-2.87 2.7710.00

2.99-3.00 3.17-3.19 3.09 表2 关系(=10.00mA)

(mV)(mV)(mV)(mV)

0-0.10 0.08 0.14-0.16 0.12 100 0.18-0.20 0.46-0.47 0.33200 0.52-0.54

0.80-0.79 0.66300 0.85-0.88 1.14-1.15 1.00400 1.20-1.22 1.48-1.49

1.35500 1.54-1.56 1.82-1.83 1.69600 1.88-1.89 2.17-2.16 2.02700

2.23-2.24 2.50-2.51 2.37800 2.56-2.58 2.84-2.85 2.71900 2.90-2.92

3.18-3.20 3.05 表3 关系=10.00mA，=900mA(mV)(mV)(mV)(mV)B×10-3T 00.54-0.56-0.73-0.74 2.88 0.5 0.95-0.99 1.17-1.18 4.641.0 1.55-1.58

1.80-1.75 7.232.0 2.33 2.37-2.88-2.52 10.574.0 2.74-2.79 2.96-2.94 12.306.0 2.88-2.9

第二篇：实验报告,霍尔效应

实验报告——霍尔效应

勾天杭

PB05２10273

4+ 数据处理: 1、保持 Im＝0．45Ａ不变,作Ｖh-Ｉs 曲线注意有效位数得选取 1 3、5 1。５ 5.2３2５ ２ 6、9７25 2。5 8.715 3 1０、4５5 ３。5 １2。1８7５ 4 13.92 4.５ 1５、6575

Lｉnear Regｒeｓsioｎ for Data1_Ｆ:

处理数据要有误差分析 Y = A ＋ Ｂ ＊ X Parａmeter rorrE eulａVﻩ－-————-——－——－－—－-—－-－——-—--—-—－－--——－--—－--—－-－——--—--—-——-— A 8６3０0。0 935２0、0

ﻩB 42１00、０ 447４、３

ﻩ—－－—-－——---—－—-—－—-－---－—-———-—－-－-－——---——-———--—－－—-—-—--— R

DＳﻩ N

Ｐﻩ--——-－—－-－-—-—---—－——--—－--—－－-——－——----——－-－—－－－-—－-—-—-—-— 1 １0０0。0＜ﻩ8ﻩ1０４00.0ﻩ-———--—----－ ——-— － — －-—--－ － － －-－-－ ——-— － —— －—————————--—－—－-—－—－— 2、保持 Is=4。５mA 不变,作 Vh—Ｉm 曲线有效数字得保留 Im Ｖh 0。１ 3.3７７5

0。１5 5.05 0、2 6。7825 ０。25 8。５3７5 0.3 1０.3 0.35 12、14５ 0。４ 13、9075 0。45 １５、６5２5

Lｉneaｒ Regresｓｉon foｒ Ｄａｔａ３_F: Y = A + Ｂ * X Paｒametｅr eulaＶﻩ Errｏr--——-— －-—— －--—-—— － － － － －----—--－ —--－-—— －-—---—--————---—-—---－ A

—0。２2５5１ 3４６4０、0ﻩB

３5、２5２98 ０。15586 －-——-－ ———---—— －-———---——-－ － —-－ － —-— － －---—--———— －——-———－－——－--R

ＮﻩDSﻩ

Ｐﻩ-－--－-—－—－－-—--—----—－—--－——－—－-－－－---—-－－——-－—－－-———-－—－---0。9９9９4 1000、0＜ﻩ８ﻩ１5050、0ﻩ—－——-—－-－—--——-－—--——--－-－-——-－—----－－———----－—－———－-－---—-－ 3、在零电场下取 Iｓ＝0。1mA,测得 Vσ=9、21ｍV;—9、2０mV

４、确定样品得导电类型:

假设样品中得载流子为空穴,则载流子得速度方向与电流一致。可以判定,此时正电荷受力向上,即上边积累正电荷,下边无电荷、如果实验测得Ｕ 粉白 >0,说明假设就是正确得。反之,载流子为电子、实验结果为 U 粉白 〈0。∴载流子为电子。

下面计算 R Ｈ ,ｎ,σ,μ。

线圈参数=4400GS／Ａ;d=0．20mｍ;b=3.0mm;L=５。0ｍm 取步骤一中得数据,Im=0。45A;由线性拟合所得直线得斜率为 3、4７４4(Ω)。结合;B=Im＊线圈参数=19８0GS=0、198T;有Ω。

若取 d 得单位为ｃm;磁场单位 GS;电位差单位Ｖ;电流单位Ａ;电量单位 C;代入数值,得Ｒ Ｈ

=3５09。5cm 3 ／C。n=１/R H ｅ＝1.78*1０ 15 cm— 3。

＝0。０9053(Ｓ/m);

=3。１７7１5(cm2 /Vs)。

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,如果用实验方法判断 B 与元件发现就是否一致？ 如左图,若磁场方向与法线不一致,载流子不但在上下方向受力,前后也受力(为洛仑兹力得两个分量);而我们把洛仑兹力上下方向得分量当作合得洛仑兹力来算,导致测得得 Vh 比真实值小。从而,ＲＨ偏小,n 偏大;σ偏大;μ不受影响。可测量前后两个面得电势差。若不为零,则磁场方向与法线不一致。

2、能否用霍尔元件片测量交变磁场？电荷交替在上下面积累,不会形成固定得电势差,所以不可能测量交变得磁场 我认为可以用霍尔元件侧交变磁场。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、交流电时,得到得霍尔电压也就是交变得、根据本试验中得方法,可求得磁感应强度得有效值;磁场得频率应与磁化电流得频率一致。

第三篇：《霍尔效应》教案

《霍尔效应》教案

一、教学目标

【知识与技能】

知道霍尔效应的原理，了解霍尔效应在生活中的应用。

【过程与方法】

通过观察实物，思考交流，分析霍尔效应的原理，了解物理学科在生活中的应用。

【情感态度与价值观】

增加对物理学科的学习兴趣，体会物理学在生活中无处不在的特点，养成科学思考的学习习惯和态度。

二、教学重难点

【重点】

霍尔效应的产生过程。

【难点】

霍尔效应的应用。

三、教学方法

观察法、讨论法、问答法、多媒体展示等。

四、教学过程

环节一：新课导入

展示霍尔元件的实物，并介绍他的作用：能够精确测量出磁场的变化，在很多领域中都发挥着很大的作用，例如电机中测定转子转速，录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等。

教师提问：这个元件是怎样工作的呢?今天我们就一起来做个课题研究——霍尔效应。

环节二：新课探究

展示多媒体：动画模拟产生霍尔效应的过程，请学生找到条件并进行总结。

回答：有一个矩形导体，并且有电流，加载与电流方向垂直的磁场，发现矩形导体上会出现电势差。

补充回答：电势差的方向是上下的，说明与电流和磁场构成的面垂直。

点评总结，归纳出霍尔效应的原理。

教师展示一些霍尔元件的例子说明探测磁场大小的作用。

问题：为什么霍尔元件能探测磁感应强度大小呢?

回答：应该是产生的电势差发生变化，也就是说霍尔效应中，磁感应强度变化，能导致电势差的变化。

问题：很对，电势差大小还与什么有关呢?结合教材互相交流一下。

回答：还应该与电流大小、矩形导体厚度有关系。

环节三：应用提升

向学生介绍霍尔传感器的原理和作用：霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。

第四篇：大学物理实验报告范本

Yls

大学物理实验报告范本

Yls

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第五篇：大学物理实验报告

摘要：热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，具有许多独特的优点和用途，在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性，加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。关键词：热敏电阻、非平衡直流电桥、电阻温度特性

1、引言

热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件，其电阻温度系数一般为（-0.003~+0.6）℃-1。因此，热敏电阻一般可以分为: ⅰ、负电阻温度系数（简称ntc）的热敏电阻元件 常由一些过渡金属氧化物（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指mf91~mf96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。大多应用于测温控温技术，还可以制成流量计、功率计等。ⅱ、正电阻温度系数（简称ptc）的热敏电阻元件 常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加，载流子数目越多，电阻率越小。应用广泛，除测温、控温，在电子线路中作温度补偿外，还制成各类加热器，如电吹风等。

2、实验装置及原理

【实验装置】 【实验原理】 根据半导体理论，一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为（1—1）式中a与b对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为 式中 为两电极间距离，为热敏电阻的横截面。对某一特定电阻而言，与b均为常数，用实验方法可以测定。为了便于数据处理，将上式两边取对数，则有（1—3）上式表明 与 呈线性关系，在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值，以 为横坐标，为纵坐标作图，则得到的图线应为直线，可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。热敏电阻的电阻温度系数 下式给出（1—4）从上述方法求得的b值和室温代入式（1—4），就可以算出室温时的电阻温度系数。热敏电阻 在不同温度时的电阻值，可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示，b、d之间为一负载电阻，只要测出，就可以得到 值。

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当负载电阻 →，即电桥输出处于开 路状态时，=0，仅有电压输出，用 表示，当 时，电桥输出 =0，即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性，在测量之前，电桥必须预调平衡，这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。（1—5）在测量mf51型热敏电阻时，非平衡直流电桥所采用的是立式电桥，且，则（1—6）式中r和 均为预调平衡后的电阻值，测得电压输出后，通过式（1—6）运算可得△r，从而求的 =r4+△r。

3、热敏电阻的电阻温度特性研究

根据桥式，预调平衡，将“功能转换”开关旋至“电压“位置，按下g、b开关，打开实验加热装置升温，每隔2℃测1个值，并将测量数据列表（表二）。

温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65 电阻ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

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表二 非平衡电桥电压输出形式（立式）测量mf51型热敏电阻的数据 温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4 0.0-12.5-27.0-42.5-58.4-74.8-91.6-107.8-126.4-144.4 4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

4、实验结果误差

通过实验所得的mf51型半导体热敏电阻的电阻—温度特性的数学表达式为。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻～温度特性的测量值，与表一所给出的参考值有较好的一致性，如下表所示： 表三 实验结果比较 温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65 参考值rt ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748 相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

从上述结果来看，基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现，随着温度的升高，电阻值变小，但是相对误差却在变大，这主要是由内热效应而引起的。

5、内热效应的影响

在实验过程中，由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过，热敏电阻的电阻值大，体积小，热容量小，因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升，这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时，必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。

6、实验小结

通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻—温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器，可应用与各种生产作业，开发潜力非常大。

参考文献：

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