用霍尔元件测量磁场
1879年,24岁的美国人霍尔发现,如果在载流导体的垂直方向上加上磁场,则在与电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场,这种现象被称为霍尔效应。利用霍尔效应,可以测量磁场和半导体材料的有关参数;在自动控制和测量技术等方面霍尔效应也得到广泛应用。
[实验目的]
(1)了解霍尔效应的原理。
(2)学习用霍尔元件测量通电螺线管内部的磁场。
[实验仪器]
霍尔元件测螺线管磁场装置、电流与电压数字显示器、开关等。
[实验原理]
一、用霍尔元件测量磁场的工作原理
霍尔元件是根据霍尔效应原理研制的一种磁电转换元件,是由半导体材料做成的。
如图25-1所示,把一块n型(即参加导电的载流子是电子)半导体薄片放在垂直于它的磁场中,在薄片的四个侧面A、A′及D、D′分别引出两对导线,当沿A、A′方向通过电流I时,薄片内定向移动的电子将受到洛仑兹力f B的作用,fB = evB (25—1)
式中e、v分别是电子的电量和移动的速度。电子受力偏转的结果,使得电荷在D、D′
两侧聚积而形成电场,这个电场又给电子一个与fB相反方向的电场力fE,两侧电荷积累越多,fE便越大。最后,当上述两力相等时(fB = fE),电荷的积累才达到动态平衡。此时,在薄片D、D′之间建立的电场称为霍尔电压VH,这种现象即为霍尔效应。设b、d为薄片的宽度和厚度,n为电子浓度,则有:fB = fE
(25—2)
(25—3)
由(25-2)式和(25-3)式可得:
(25—4)
式中叫做霍尔元件的灵敏度。同理,如果霍尔元件是P型(即参加导电的载流子是空穴)半导体,则其中p为空穴浓度。因为KH和载流子的浓度成反比,而半导体的载流子浓度又远比金属的载流子浓度低,所以采用半导体材料制作霍尔元件,并且将此元件做得很好。(一般d ≈ 0.2mm),以便获得较高的灵敏度。
如果将霍尔元件放入待测磁场中,测量出VH和I,又已知KH,则可利用(25-4)式计算出磁感应强度B来。即
(25—4)
二、实验中的副效应及消除的方法
在实际应用中,伴随着霍尔效应还经常存在其他副效应,使得实验中测得的并不只是霍尔电压VH,还附加了副效应产生的电压。因此,根据(25-5)式计算的B值并不十分准确,应在实验中用特殊的方法消除这些附加电压。
(1)不等位效应;在理想情况下,当磁场不存在时,图25-1中D、D′两端的V H=0,但事实上V H≠0。这是因为引线焊点D、D′不能准确对称地焊在霍尔元件两侧,当控制电流I通过霍尔元件时,D、D′两点不处于同一等位面上,产生了不等位电压V 0(图25-2)很明显,V 0的存在会使霍尔电压V H偏大或偏小。它的正负与控制电流I的方向有关。(2)爱廷豪森效应:霍尔电压达到一个稳定值VH,主要是fB = fE,即假定载流子都以同一速度v移动。实际上,存在着速度大于v和速度小于v的载流子,因此,速度大于v的载流子因fB′>fE,而偏向D侧(参看图25-1);速度小于v的载流子因fB″<fE而偏向D′侧。由于高速载流子能量大,使得D侧温度升高;反之,D′侧温度降低,于是在D、D′之间产生了温差电压VE,它的正负只与I和B的方向有关。
(3)能斯脱效应:由于工作引线的焊接点A和A′处的接触电阻不相等,通电后发热程度不同,使A和A′两端出现温度差,引起两电极间的温差电动势,产生了温差电流。此电流在磁场作用下在D、D′间形成附加电压VN,显然VN的正负只与B的方向有关。
(4)里纪-勒杜克效应;由能斯脱效应产生的温差电流也能出现爱廷豪森效应,由此产生了附加电压VRL,VRL的正负只与B的方向有关。
为了消除上述附加电压。在测量时应保持B和I的数值大小不变,分别改变它们的方向,可消除附加电压的影响。
第二篇:B2用霍尔元件测量磁场
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