昆明理工大学 物理实验教学(印刷稿).docVIP

目 录 1、霍尔法测磁场 1 2、用示波器研究互感耦合线圈 6 3、电表的改装和校准 11 4、夫兰克-赫兹实验 16 5、密立根油滴实验 22 6、光电效应实验 31 7、等厚干涉实验 37 8、温度传感器研究 42 9、分光计的认识和调整 51 10、衍射光栅实验 58 11、迈克尔逊干涉实验 62 12、空气中声速的测定 65 13、光纤通讯技术实验 68 14、用旋光仪测定液体的浓度 73 15、光电二极管伏安特性测定 76 1、霍尔法测磁场 [实验目的] (1) 了解产生霍耳效应的机理，明确应用霍耳效应测量磁场的原理。 (2) 学习用霍耳元件测量磁场的基本方法。 (3) 进一步熟悉箱式电位差计的使用方法。 [仪器用具] 螺线管磁场实验仪、箱式电位差计、稳压电源、安培表、毫安表、干电池、滑线变阻器、开关等(或：螺线管磁场实验仪、HLZ-5螺线管磁场测试仪)。 [实验原理] 图1-1. 霍尔效应示意图 霍耳元件是根据霍耳效应制作的一种磁电转换元件。如图1-1所示，一块边长分别为和b、厚度为d的长方形半导体薄片，放在均匀磁场中，并使薄片平面垂直于磁场方向，若在l、2端面通以电流I，则在3、4端面间就产生一电位差，这一现象称为霍耳效应，其电位差称霍耳电压VH 。 霍耳效应是由于运动电荷在磁场中受到洛仑兹力作用而产生的。设电流I由带负电的载流子(电子)的运动形成(元件是由均匀的n型半导体材料做成的)，则电子受到洛仑兹力为 方向沿Z轴向上，电子在Fm 的作用下发生偏转，并聚积在端面3上．使端面3带负电荷，端面4带正电荷，从而在3、4两端面间建立起电场E 。这电场使电子又受到电场力 Fe=-eE 的作用，Fe与Fm方向相反。开始时，电子将继续聚积到端面3上，电场 E 继续增大，直至为止，此时就在3、4端面间形成一稳定的电场和稳定的电压 ，于是有 设霍耳元件中载流子（电子）的密度为ne，则I的大小为： ，由上二式可解得 （1-1） 式中，称为霍耳系数；称为霍耳元件的灵敏度，单位为：mV/(mA(T)，它反映效应的强弱，其大小与材料特性(种类、载流子浓度等)及元件的几何尺寸有关。如果霍耳元件为p型(即载流子为空穴)半导体材料做成的，则（其中np为空穴的密度)。由于n型半导体的霍耳系数比p型半导体的霍耳系数大，所以霍耳元件大都采用n型半导体材料。 由（1-1）式有 （1-2） 如果霍耳元件的KH 值已知，只要测出实验中的工作电流I和霍耳电势差VH，就可算出霍耳元件所在处的磁感应强度。 图1-2. 霍尔元件等位面示意图 在实验中，伴随着霍耳效应，还有一些副效应，所产生的附加电压，叠加在VH上，使得测出的电压不只是霍耳电压VH ，附加电压的来源主要有以下几种： 1．不等位电位差V0 在霍耳元件的制造工艺中，很难将霍耳电极3、4焊在同一等位面上，如图1-2所示，因此当电流流过霍耳元件时，端面3、4间就会有一电位差V0，且 式中r为沿X方向3、4两点间的电阻。V0的方向与电流的方向有关，与外加磁场的方向无关。 2．厄廷好森效应及其产生的电压VE 当放在磁场B中的霍耳元件通以电流I后，由于载流子迁移速度的不同，载流子所受的洛仑兹力也不相等。表明速度为v的载流子达到动态平衡。以电子为例，速度大于v的电子，满足，因而聚集在端面3上；速度小于v的电子，满足，因而聚集在端面4上。由于快速电子的能量大，转换成的热能多，使端面3的温度升得较高；反之，端面4的温度则较低，两端面就有一定的温度差，又因为电极与霍耳元件的制作材料不同，电极材料与霍耳元件形成一热电偶，所以这一温度差就会使3、4端面之间产生温差电压VE，这种现象称厄廷好森效应，VE的大小与IB乘积成正比，方向随I、B的换向而改变。 3． 能斯脱效应及其产生的电压VN 由于电流I流入和流出霍耳元件的电极接头处的电阻不同，电流在两极处产生的焦耳热也不同，因而也会引起温差电动势。这电动势又引起附加的电流，此电流在磁场作用下产生一个类似于VH的电压VN，这一现象称能斯脱效应。VN只与外磁场B的方向有关，与电流I的方向无关。 4．里纪-勒杜克效应及其产生的电压VR 能斯脱效应产生的电流也有厄廷好森效应，从而产生电压VR，这一现象称里纪-勒杜克效应， VR只与磁场B的方向有关，与电流I的方向无关。 这四种副效应使得霍耳电压难以测准。有时四种副效应产生的电压的总和，会远大于霍耳效应，