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PAGE PAGE 92实验6.17 利用霍尔效应测磁场1. 实验目的(1) 了解用霍尔器件测磁场的原理;(2) 掌握用霍尔器件测量长直螺线管内部磁场的方法; (3) 掌握检测一对共轴线圈耦合程度的方法。2. 实验仪器HCC-1型霍尔效应测磁仪,HCC-1型交直流电源,长直螺线管和亥姆霍兹共轴线圈对。3. 仪器简介HCC-1型霍尔效应测磁仪由下面五个分离部件组合而成:(1)霍尔测磁传感器霍尔测磁传感器又称为霍尔探杆。探杆直径为6.0mm, 长度(含手柄)为520.0mm, 其前面400.0mm有毫米刻度, 可以方便地确定探杆前端(探头)在磁场中的位置。探头内安装有HZ-2 型霍尔器件, 作为测磁传感器。每个霍尔器件的灵敏度KH已标在霍尔探杆的手柄上。(2)HCC-1 型霍尔效应测磁仪 该仪器又称为霍尔电压测量仪。它的前面板如图6.17-1所示。将“调零与测量”开关拨至“× 1”档, 可以测量0 ~ 0.75mV的霍尔电压。HCC-1型霍尔效应测磁仪还可以给霍尔器件提供0 ~ 20mA的控制电流。图6.17-1 图6.17-1 HCC-1型霍尔效应测磁仪的前面板图(3)HCC-1型交直流电源 该电源可以提供交流4.0V、8.0V或直流0.0 ~ l0.0V、最大电流为2.0A的激磁电流。它的前面板如图6.17-2所示。 (4)长直螺线管它是用线径Ф=1.0rnrn的漆包线在有效长度L =30.0cm的骨架上按n =36 ·匝cm-1 密度绕成直径为24.0mm的螺线管,两端口总长32.0cm。(5)共轴线圈对它是装在一个带毫米刻度尺座架上的一对线圈, 其中一个线圈可以在座架上移动, 以改变两个线圈中心之间的距离。线圈的线径Ф= 0.9mm, 每个线圈的匝数N =360匝, 直径D =13.6cm 。4. 实验原理(1)用霍尔器件测磁场的原理 如图6.17-3所示, 把一金属薄片放在磁场中, 磁感应强度B 垂直于薄片向上, 当在MN方向图6.17-2 HCC-1型交直流电源的前面板图通入电流(称为控制电流)I 时, 在图6.17-2 HCC-1型交直流电源的前面板图为霍尔效应, 所产生的电势差称为霍尔电压, 用UH表示。电极M 、N称为控制极或电流极, P、Q称为输出极或霍尔极。霍尔效应是霍尔在1879年发现的。产生霍尔效应的原因是金属薄片中的载流子(电子)在磁场中运动时受到了洛仑兹力的作用。图图6.17-3 用霍尔器件测磁场的原理——霍尔效应 参看图6.17-3, 设薄片中的载流子(电子)带电量为q, 运动方向与电流I 方向相反, 平均漂移速率为v, 由于该薄片处在外磁场B 中, 且运动方向与磁场方向垂直,故q 受洛仑兹力Fm = qvB方向指向Q侧。因此, 将在Q侧积累负电荷, P侧积累正电荷, 于是在P 、Q两个侧面之间产生 了由P指向Q的电场EH(称为霍尔电场)。EH随着P 、Q两侧电荷的积累而增强, 当EH增强到使 q受到的电场力Fe(= qEH)与它受到的洛仑兹力Fm(= qvB)相等, 即EH = vB 时, 就达到了动态平衡, P 、Q两侧的电荷不再增多, 这时在P 、Q两侧之间产生了一个恒定的电势差, 即霍尔电压UH。又因为P 、Q两侧之间的电场可以看作是匀强电场, 所以VH = EH?a = vBa (1)a为薄片宽度。设薄片中的载流子密度为n, 薄片厚度为b, 依据电流强度的定义有 I = qnvab所以 代入(1)式,得 (2)式中RH = 1/nq 称为霍尔系数。可见n越大, RH越小, UH越小。因为金属中的载流子(电子)密度 n很大, 所以金属的霍尔效应不显著, 因此不适宜作为霍尔器件。霍尔器件一般用载流子密度 n很小的半导体材料制成。由(2)式还可看出, 薄片厚度b越小, UH越大, 故霍尔器件一般都做成厚度很小的薄片状。本实验所用的HZ-2型霍尔器件是用N型锗材料制成的,其几何尺寸为:l × a × b = 4.0mm × 2.0mm × 0.2mm 。(2)式也常写成为 (3)式中KH = RH/b 称为霍尔器件灵敏度。KH是一个很重要的参数, 表示霍尔器件在单位磁感应 强度和单位控制电流下所输出的霍尔电压, 单位是:mV?mA-1?T-1。由(3)式得 (4)因此只要测出控制电流I 和霍尔电压UH (K
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