@FB400霍尔效应法测螺线管线圈磁场讲义2015.11.20与仪器配套

实验27霍耳效应及螺线管磁场的测定1879年，美国霍普金斯大学研究生霍耳，在研究载流导体在场中受力的性质时发现了 一种电磁 现象，即当一电流垂直于外磁场方向而流过导体时，在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一 电势差，这种现象称为霍耳效应，所产生的电势差被称为霍耳电势。

半个多世纪后，人们发现半导体 也有霍耳效应，而且比金属强得多。

现在人们利用霍耳效应制成测量磁场的磁传感器，广泛用于电磁 测量，非电量检测、电动控制和计算装置方面。

在电流体中的霍耳效应也是目前在研究中的“磁流体 发电”的理论基础。

在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍耳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。

一、 实验目的1 •了解产生霍耳效应的物理过程及用其测量磁场的原理和方法；2 •验证霍耳电势与霍耳控制电流的线性矢系；3 •验证霍耳电势与励磁电流的线性另系 4. 利用霍耳效应测量螺线管磁场分布 ；5. 学习用“对耳交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

二、 仪器用具ZKY-430501螺线管磁场实验仪一台‘ ZKY-H/L 霍耳效应螺线管磁场测试仪一台‘导线若干。

三、实验原理 1 •霍耳效应如图3 -9所示，一个由N 型半导体材料制成的霍 耳元件，其四个侧面各焊有一个电极1、2、3、4。

沿左 右两个侧面通以电流I,电流密度为J,则电子将沿负J 方 向以速度Ve 运动，此电子将受到垂直方向磁场E 的洛伦兹力Fm 作 用，造成电子在霍耳元件上侧积累，从而形成了沿上下 方向的电场EH,形成了霍耳电势UHo如果半导体所在范围内，磁感应强度E 是均匀 的，则霍耳电场也是均匀的，大小为图3 -9霍耳效应原理霍耳效应是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的，放在磁场中的霍耳元件 通以电流I 后，产生洛伦兹力Fm 而霍耳电场使电子受到一与洛伦兹力Fm 相反的电场力U HU HFe,将阻止电子继续迁移，随着电荷积累的增加，霍耳电场的电场力也增大，当达到一定程度时，Fm 与Fe大小相等，电荷积累达到动态平衡'形成稳定的霍耳电势'这时根据Fm=FeeVeB eEH将式(1)代入得U HVeBL式(3)中L为矩形半导体的宽，U H L容易测量，但电子速度Ve难测，为此将Ve变成与I有尖的参数。

霍尔效应和霍尔效应法测量螺线管线圈内的磁场霍尔效应是一种基于磁场和电场相互作用的物理现象，它可用于测量导体片中的电子浓度、电荷密度和磁场强度等参数。

在实际应用中，霍尔效应主要用于测量磁场强度，特别是在研究电流传输和电子器件中的磁场分布时。

常用的测量方法是通过将霍尔片置于磁场中，测量霍尔电压的大小和方向来确定磁场强度及其方向。

在测量螺线管线圈内的磁场时，最常用的方法是采用霍尔效应法。

测量时，将一个霍尔片置于螺线管线圈的中心，使其与磁场垂直。

当螺线管中有电流流过时，会产生一个稳定的磁场，霍尔片中的电子受磁场作用会分布在霍尔片表面，从而形成一个电荷层。

由于霍尔片的电阻极小，因此当磁场作用在电子上时，电子在霍尔片内部形成的电场可以产生一个微小的电压，即霍尔电压。

霍尔电压的大小与磁场强度成正比，并且具有极高的精度和稳定性，因此可以用来测量螺线管线圈内的磁场强度及其方向。

在实际应用中，霍尔效应法的测量精度受到许多因素的影响，例如霍尔片的材料、尺寸和温度等因素，以及测量电路的噪声和干扰等因素。

因此，在进行霍尔效应法测量时，需要采取一系列的措施来减小误差，提高测量精度。

一些工业和科研领域使用螺线管制造强磁场，例如MRI设备，核磁共振仪器以及磁力计等。

在这些设备中，螺线管的磁场强度和分布对设备的性能和精度有着重要的影响。

因此，对螺线管中磁场的测量具有重要的意义。

在螺线管中测量磁场时，使用霍尔效应法具有许多优点，例如测量精度高、对磁场分布的敏感性强、不需要接触对象、测量过程简便等。

但是，在实际应用中还需要考虑到许多不同的因素，例如霍尔片的选取、测量电路的搭建、磁场的影响等。

只有在全面考虑这些因素的情况下，才能够保证测量结果的准确性和可靠性。

实验27霍耳效应及螺线管磁场的测定1879年，美国霍普金斯大学研究生霍耳，在研究载流导体在场中受力的性质时发现了一种电磁现象，即当一电流垂直于外磁场方向而流过导体时，在垂直于电流和磁场的方向导体的两侧会产生一电势差，这种现象称为霍耳效应，所产生的电势差被称为霍耳电势。

半个多世纪后，人们发现半导体也有霍耳效应，而且比金属强得多。

现在人们利用霍耳效应制成测量磁场的磁传感器，广泛用于电磁测量，非电量检测、电动控制和计算装置方面。

在电流体中的霍耳效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。

在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中，霍耳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。

一、实验目的１.了解产生霍耳效应的物理过程及用其测量磁场的原理和方法； ２.验证霍耳电势与霍耳控制电流的线性关系； ３.验证霍耳电势与励磁电流的线性关系4. 利用霍耳效应测量螺线管磁场分布;5. 学习用“对耳交换测量法”消除负效应产生的系统误差。

二、仪器用具ZKY-430501螺线管磁场实验仪一台，ZKY-H/L 霍耳效应螺线管磁场测试仪一台，导线若干。

三、实验原理１.霍耳效应如图３-9所示，一个由N 型半导体材料制成的霍耳元件，其四个侧面各焊有一个电极１、２、３、４。

沿左右两个侧面通以电流Ｉ，电流密度为Ｊ，则电子将沿负Ｊ方向以速度v e 运动，此电子将受到垂直方向磁场Ｂ的洛伦兹力Fm 作用，造成电子在霍耳元件上侧积累，从而形成了沿上下方向的电场ＥH ，形成了霍耳电势U H 。

如果半导体所在范围内，磁感应强度Ｂ是均匀的，则霍耳电场也是均匀的，大小为(1) 图３-9 霍耳效应原理LU E HH =霍耳效应是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的，放在磁场中的霍耳元件通以电流I 后，产生洛伦兹力Fm ，而霍耳电场使电子受到一与洛伦兹力Fm 相反的电场力Fe ，将阻止电子继续迁移，随着电荷积累的增加，霍耳电场的电场力也增大，当达到一定程度时，Fm 与Fe 大小相等，电荷积累达到动态平衡，形成稳定的霍耳电势，这时根据Fm=Fe 有(2)H e eE B ev =将式（1）代入得(3)BL v U e H =式(3)中L 为矩形半导体的宽，U H 、L 容易测量，但电子速度v e 难测，为此将v e 变成与Ｉ有关的参数。

霍尔效应测量螺线管磁场用霍尔传感器测量通电螺线管内励磁电流与输出霍尔电压之间关系，证明霍尔电势与螺线管内磁感应强度成正比；用通电长直通电螺线管轴线上磁感应强度的理论计算值作为标准值来校准或测定霍尔传感器的灵敏度，熟悉霍尔传感器的特性和应用；用该霍尔传感器测量通电螺线管内的磁感应强度与螺线管轴线位置刻度之间的关系，作磁感应强度与位置刻线的关系图，学会用霍尔元件测量磁感应强度的方法.【实验目的】1. 了解霍尔效应现象，掌握其测量磁场的原理；2. 学会用霍尔效应测量长直通电螺线管轴向磁场分布的方法。

【实验仪器】霍尔效应组合实验仪一套【实验原理】1. 长直通电螺线管中心点磁感应强度理论值根据电磁学毕奥－萨伐尔)Savat Biot (-定律，通电长直螺线管轴线上中心点的磁感 应强度为：M 22μN I B L D∙∙=+中心 （1）螺线管轴线上两个端面上的磁感应强度为： M22μ1122N I B B L D∙∙==∙+端面中心 （2）式中，μ为磁介质的磁导率，真空中的磁导率()A /m T 10470∙⨯π=μ-，N 为螺线管的总匝数，M I 为螺线管的励磁电流，L 为螺线管的长度，D 为螺线管的平均直径。

2. 霍尔传感器灵敏度H K 计算方法：由于霍尔电压 H H S V K I B =∙∙ （3）因此： HH S V K I B=∙ （4） 由此推理，经定标后，霍尔元件作为磁测量探头，能简便、直观、快速地测量磁场的磁感应强度，还可以用于如压力，位移、转速等非电量测量，特别是可作为乘法器，用于功率测量等创新应用性实验，具有宽广的应用空间。

【实验内容与步骤】继电器换向开关的使用说明：单刀双向继电器的电原理如图1（a ）所示。

当继电器线包不加控制电压时，动触点与常闭端相连接；当继电器线包加上控制电压时，继电器吸合，动触点与常开端相连接。

实验架中，使用了三个双刀双向继电器组成三个换向开关，换向由接钮开关控制。

霍尔效应和测量螺旋管内轴线磁场简介：当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场方向的导体两侧会产生电势差，这个现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的，后被称作为霍尔效应，目前霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用半导体的霍尔效应制成的器件已广泛的应用于磁场的测量，非电量电测，自动控制和信息处理等方面。

一、实验目的（1）了解霍尔效应测磁场的工作原理；（2）学会测量磁感强度B ，半导体的电导率 和载流子浓度n ； （3）用通电螺旋管中心点的磁感强度计算集成霍尔传感器的灵敏度； （4）测定通电螺旋管轴线上的磁感强度的分布； （5）测定地球磁场的磁感强度。

二、实验仪器1、霍尔效应实验组合仪（励磁恒流源M I ，样品工作恒流源S I ，数字电压表，数字电流表）；2、电路控制和电磁铁及霍尔元件装置（霍尔元件，电磁铁，换向开关）；3、通电螺旋管磁场测定仪（95A 集成霍尔传感器、螺旋管、电源和数字电表组合仪）。

霍尔元件 电磁铁换向开关三、实验原理 1、霍尔效应如图所示，正电荷q 在霍尔片内自左向右运动，速度为v ，当外加磁场B 以图示方向垂直穿过霍尔片时，电荷q 受到洛仑兹力向上运动，随着电荷的迁移，霍尔片的上下两面积聚了等量的正负分布电荷，形成了静电场，上下两面有电势差，这一电势差被称为霍尔电压，根据匀强电场场强与电势的关系可得2H U E a= 当分布电荷稳定时，电荷分别受到洛仑兹力和电场力的作用并处于平衡态。

F qvBF qE vB E F F=⎧⎪=⇒=⎨⎪=⎩洛电洛电 通过霍尔片的电流密度2I J nev ad ==，所以12I v ne ad=，n 为参与导电的载流子浓度122HHI E vB B I adU B U ne d E a ⎧==⎪⎪⇒=⎨⎪=⎪⎩令1H R ne =为霍尔系数，则H H IU R B d=。

（霍尔系数代表材料的属性） 若令1H H R K ned d==为霍尔灵敏度，则H H U K BI =。

霍尔效应测量螺纹管磁场置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机构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电测，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（K·Von Klitzing）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、解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VH-Is，VH- IM曲线了解霍尔电势差VH与霍尔元件控制（工作）电流Is，磁感应强度B及励磁电流和IM之间的关系。

3、学习利用霍尔效应测量感应强度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。

5、掌握用霍耳元件测量通电螺线管轴向磁场的方法。

6、了解通电长直螺线管轴线上的磁场强度分布。

[实验仪器]1、FH2601实验用数字源表2、FH4512A霍尔效应螺纹管磁场实验仪[实验原理]1、霍耳元件测磁场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。

霍尔效应法测定螺线管 轴向磁感应强度分布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，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。

随着半导体物理学的迅速发展，霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。

通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。

若能测量霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

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，而且随着电子技术的发展，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，已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。

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，将有更广阔的应用前景。

了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。

一、实验目的1．掌握测试霍尔元件的工作特性。

2．学习用霍尔效应法测量磁场的原理和方法。

3．学习用霍尔元件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。

二、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聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。

对于图（1）（a ）所示的N 型半导体试样，若在X 方向的电极D 、E 上通以电流Is ，在Z 方向加磁场B ，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力B v e F g = （1）其中e 为载流子（电子）电量， 为载流子在电流方向上的平均定向漂移速率，B 为磁感应强度。

无论载流子是正电荷还是负电荷，F g 的方向均沿Y 方向，在此力的作用下，载流子发生便移，则在Y 方向即试样A 、A´电极两侧就开始聚积异号电荷而在试样A 、A´两侧产生一个电位差V H ，形成相应的附加电场E —霍尔电场，相应的电压V H 称为霍尔电压，电极A 、A´称为霍尔电极。