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发布日期: 2019-11-19    责任编辑:admin

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  首都师范大学 物 理 实 验 报 告 班 级__信工C班___ 组 别______D______ 姓 名____李铃______ 学 号_1111000048_ 日 期___2013.3.13__ 指点教师___张波____ 【尝试标题问题】_________霍尔效应测 【尝试目标】 1.研究霍尔元件的特征,并测定其活络度; 2.丈量电磁铁气隙中的磁强度; 3.领会霍尔效应的发生道理及其副效应的发生道理和消弭方式。 【尝试仪器】 马蹄形电磁铁,霍尔片,电流表,电池盒,数字万用表,换向开关,导线若干,霍尔效应尝试仪。 【尝试道理】 霍尔最后的尝试是如许的:正在一块长方形的薄金属片(霍尔片)两边的对称点1和2之间接上一个检流计(如图7.1所示)。为便利,取如图所示的曲角坐标系。沿x轴正向通以电流I。若不加,则检流计不显示任何偏转,这申明1和2两点电位相等。若正在z轴标的目的加上B,则检流计当即偏转。这申明1和2两点之间存正在电位差。霍尔发觉这个电位差取电流I及磁强度 B均成反比,取板的厚度d成反比,即 (7-1) 这叫霍尔公式。凡是称UH为霍尔电压,RH为霍尔系数,KH为霍尔片的活络度,且KH=RH/d。正在其时,式(7-1)纯粹是一个经验公式 ,正在洛伦兹的电子论提出来当前从理论上获得证明。霍尔电压的发生能够用洛伦兹力来注释。 力即洛仑兹力为=×B(7-2) 按矢积的定义,上式中F的大小为: (7-3),式中,为和B之间的夹角,F的标的目的垂曲和B 形成的平面,并恪守左手螺旋,如图7.2所示。式(7-2)表白,博猫游戏,洛仑兹力F的标的目的取电荷的正负相关。图2所示的是正电荷受力的标的目的,若是负电荷,则受力标的目的取此相反。 若电流沿X轴正标的目的通过霍尔片,如图7.3所示. 则霍尔片中的载流子正在力感化下发生定向偏转,霍尔片两长边别离呈现了正负电荷的聚积,因此两个端面有了电位差,并由此发生一个静电场,设其电场强度为EY则电子又遭到一个静电力感化,其大小为(7-4) 它的标的目的正好取洛仑兹力的标的目的相反。当这两个力的大小相等时,电子不再偏转,两边所堆集的电荷也不再添加,此时(7-5),即(7-6),或(7-7) 两个端面的电位差UH取场强E的关系是:(7-8) 此中b为霍尔片的宽度。设载流子浓度为n,单元时间内体积为里的载流子全数通过横截面,则电流强度I取载流子平均速度的关系为: (7-9),获得(7-10),因此求得电位差 (7-11),式中,n为单元体积内的载流子数;e为载流子电荷;d为霍尔片厚度。令(称为霍耳系数),则端面呈现的电位差可暗示为(7-12),称为霍尔元件的活络度.由(7-12)式可见: 1.正在必然的外中,霍尔电压UH和通过霍尔片的电流强度I(工做电流)成反比。 2.正在必然的工做电流I下,霍尔电压UH和外磁强度B成反比。因而,按照工做电流I和对UH的丈量,就能够算出B值:(7-13) 这就是霍尔效应测的道理。若将测得的UH值进行放大,最初用电表来,并通过必然的换算,正在电概况板上间接刻以B的数值,如许就成为丈量的特斯拉计了. 因为霍尔效应的成立需要的时间很短(约正在10-12~10-14s内),因而利用霍尔元件时能够用曲流电或交换电,若工做电流用交换电,则 所得的霍尔电压也是交变的。正在利用交换电环境下,(7-12)式仍可利用,只是式中I和UH应理解为无效值。 值得留意的是以上会商都是正在标的目的取电流标的目的垂曲的前提下进行的,这时霍尔电压最大,因而丈量时应使霍尔片平面取被测磁强度矢量B的标的目的垂曲,如许丈量才能获得准确的成果. 操纵霍尔效应不只能够丈量,并且还能够按照霍尔电压的正负及的标的目的确定半导体中载流子的类型。半导体材料有“N”型(电子型)和“P”型(空穴型)两种。前者的载流子为电子,带负电;后者的载流子为空穴,相当于带正电的粒子。由图7.1能够看出,对 N型载流子,霍尔电压UH0;对P型载流子,UHO。 陪伴霍尔效应还存正在其它几个副效应,给霍尔电压的丈量带来附加误差。例如,因为测电位的两电极不正在统一等位面上而惹起的电位差U0称为不等位电位差。U0的标的目的随电流标的目的而变,取无关。别的还有几个副效应惹起的附加误差UE、UN、UR、U0 (详见附录1)。因为这些电位差的符号取、电流标的目的相关,因而正在丈量时改变、电流标的目的就能够减小和消弭这些附加误差,故取(+B,+I)、(+B,-I)、(-B,-I)、(-B,+I)四种前提下进行丈量,将丈量到的四个电压值取绝对值平均,做为UH的丈量成果。 【尝试内容】 1.用霍尔效应尝试仪测绘霍尔电压UH和工做电流IS的关系曲线,测定霍尔片的活络度KH (1)为了精确丈量,应先对测试仪进行调零,即将测试仪的“IS调理”和“IM”调理,旋钮均置零位,待开机数分钟后若V0显示不为零,可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零,即“0.00”。同时察看霍尔片能否正在电磁铁气隙的核心,如有偏离,可通过调理X和Y标的目的的螺丝将霍尔片调至气隙的核心。 (2)细心阅读本仪器利用仿单后,按图7.4毗连测试仪和尝试仪之间响应的IS、 V。和IM各组连线。IS及IM换向开关投向上方,表白IS及IM均为正值(即IS沿 X标的目的,B沿Z标的目的),反之为负值。V。、VH切换开关投向上方测UH。(样品各电极及励磁线圈引线取对应的双刀开关之间连线已由制制厂家毗连好)。 (3)固定励磁电流Im=300mA,改变工做电流IS的大小,IS别离取2、4、6、8、10mA读出霍尔电压UH的大小,丈量时留意改变和工做电流的标的目的消弭副效应。做出霍尔电压UH工做电流Is的关系曲线.理论上讲,UH-IS关系图是一条过坐标原点“0”的曲线.其斜率为KHB.按照做出的 UH—IS关系图和给出的B值,测出霍尔元件的活络度KH为几多(V/A?T)。 留意:严禁将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到尝试仪的“IS输入”或“V。、VH输出”处,不然一旦通电,霍尔器件即遭损坏! 工做电流Is(mA)1.01.52.02.53.04.0UH(+B,+Ic)UH(+B,-Ic)UH(-B,-Ic)UH(-B,+Ic)UH 2.用霍尔效应尝试仪测定电磁铁气隙的磁强度B 通过的尝试可求出霍尔片的活络度系数KH,正在此根本上,若已知通过霍尔片的工做电流Is,从仪器上读出霍尔电压UH,便可求出霍尔片所正在的电磁铁气隙中的磁强度B。正在尝试中固定霍尔片的工做电流Is=2mA,改变励磁电流Im别离为100、200、300、400、500、600mA,读出霍尔电压,求出正在分歧励磁电流下,电磁铁气隙中的磁强度值,丈量时同样留意改变和节制电流的标的目的消弭副效应。 励磁电流Im(A)0.30.40.50.60.70.8UH(+B,+Ic)UH(+B,-Ic)UH(-B,-Ic)UH(-B,+Ic)UH【原始数据】 【数据处置】 1.用霍尔效应尝试仪测绘霍尔电压UH和工做电流IS的关系曲线,测定霍尔片的活络度KH 工做电流Is(mA)1.02.03.04.05.0UH(+B,+Ic)-1.50-2.83-4.10-5.60-6.95UH(+B,-Ic)1.182.453.815.086.45UH(-B,-Ic)-1.53-2.76-4.22-5.48-6.72UH(-B,+Ic)1.092.423.805.056.50UH-1.32-2.61-3.98-5.30-6.65KH-1.14-1.13-1.15-1.15-1.15-1.14 2.用霍尔效应尝试仪测定电磁铁气隙的磁强度B 励磁电流Im(A)0.30.40.50.60.70.8UH(+B,+Ic)-3.10-4.48-5.72-6.79-7.94-8.97UH(+B,-Ic)3.804.375.446.647.748.99UH(-B,-Ic)-3,85-4.45-5.58-6.72-7.85-9.01UH(-B,+Ic)3.904.365.496.627.889.00UH-3.66-4.42-5.56-6.69-7.85-8.99B-1.06-0.96-0.97-0.97-0.970.980.99 【尝试数据阐发】 1.从第一个尝试内容和尝试数据可知,当励磁电流Im固按时,霍尔电压UH跟着工做电流Is的增大而增大,跟着工做电流的减小而减小,并从数据处置能够得出霍尔电压UH取工做电流Is成反比,以及活络度KH不跟着工做电流Is的变化而改变,按照公式UH=KH·Is·B可得KH=-1.14 2.从第二个尝试内容和尝试数据可知,当工做电流Is固按时,霍尔电压UH跟着励磁电流Im的增大而增大,跟着励磁电流的减小而减小,并从数据处置能够得出霍尔电压UH取励磁电流Im成反比,由公式UH=KH·I·B计较得出B=-0.99T。 3.由尝试可阐发得,本组的半导体材料为N型。 【思虑题】 1.试阐发霍尔效应法测的误差来历。 答:(1)载流子正在感化下活动,其动能正在霍尔片两侧为热能,发生温差 (2)电流表取电压表的系统误差 (3)标的目的取电流标的目的不完全垂曲 2.如何操纵霍尔效应确定载流子浓度n? 答:已知Is,B(B=x·IM),UH,按照公式UH=KH·Is·B,可得KH,由此推出n=1/KH·e·d,此中n为载流子浓度,e为载流子电荷,d为霍尔片厚度。