仪器使用说明TEACHER'SGUIDEBOOKFD-HL-5霍耳效应实验仪
仪器使用说明 TEACHER'S GUIDEBOOK FD-HL-5 霍耳效应实验仪
FD-HL-5型霍耳效应实验仪一、概述霍耳元件因其体积小，使用简便，测量准确度高，可测量交、直流磁场等优点，已广泛用于磁场的测量。并配以其他装置用于位置、位移、转速、角度等物理的测量和自动控制。本霍耳效应实验仪主要帮助学生了解霍耳效应的实验原理，测量霍耳元件的灵敏度，并学会用霍耳元件测量磁感应强度的方法。FD-HL-5型霍耳效应实验仪具有以下优点：1.采用碑化镓霍耳元件（样品）测量。该霍耳元件具有灵敏度高，线性范围产，温度系数小的特点。由于霍耳元件的工作电流小（小于5mA），电磁铁的励磁电流也小（小于0.5A），因而实验数据稳定可靠。2.实验电路布局设计合理，更多地从教学的实际效果和科研的应用考虑。如待测样品和探测元件的形状结构学生可明显观察：用1个数字电压表可分别测量霍耳电压和霍耳电流（通过取样电阻）等。实验教学效果很好。3.仪器具有保护装置使用寿命长。本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验、设计性实验和演示实验。二、技术指标1.直流稳流电源及数字式电流表。量程0-500mA，分度值1mA。2.四位半数字电压表。量程0一2V，分度值0.1mV。3.数字式特斯拉计。量程0-0.35T，分度值0.0001T。4.电磁铁。间隙3mm。5.待测砷化镓霍耳元件。实验时，工作电流一般小于3mA。（最大电流不得超过5mA）三、实验仪器简图（1）实验仪器结构如图1所示。 1 -
- 1 - FD-HL-5 型霍耳效应实验仪 一、概述 霍耳元件因其体积小，使用简便，测量准确度高，可测量交、直流磁场等优点，已广泛用于磁 场的测量。并配以其他装置用于位置、位移、转速、角度等物理的测量和自动控制。本霍耳效应实 验仪主要帮助学生了解霍耳效应的实验原理，测量霍耳元件的灵敏度，并学会用霍耳元件测量磁感 应强度的方法。FD-HL-5 型霍耳效应实验仪具有以下优点： 1．采用砷化镓霍耳元件（样品）测量。该霍耳元件具有灵敏度高，线性范围广，温度系数小的 特点。由于霍耳元件的工作电流小（小于 5mA），电磁铁的励磁电流也小（小于 0.5A），因而 实验数据稳定可靠。 2．实验电路布局设计合理，更多地从教学的实际效果和科研的应用考虑。如待测样品和探测元 件的形状结构学生可明显观察；用 1 个数字电压表可分别测量霍耳电压和霍耳电流（通过 取样电阻）等。实验教学效果很好。 3．仪器具有保护装置使用寿命长。 本仪器可用于高等院校、中专的基础物理实验、设计性实验和演示实验。 二、技术指标 1.直流稳流电源及数字式电流表。量程 0-500mA，分度值 1mA。 2.四位半数字电压表。量程 0－2V，分度值 0.1ｍV。 3.数字式特斯拉计。量程 0-0.35T，分度值 0.0001T。 4.电磁铁。间隙 3mm。 5.待测砷化镓霍耳元件。实验时，工作电流一般小于 3mA。 （最大电流不得超过 5ｍA） 三、实验仪器简图 （1）实验仪器结构如图 1 所示
FD-HL-5霍耳效应实验仪mTmAmV申磁铁直流电源X电流调节数字电压毒霍耳电流调节毫特计调零0关上海复旦天欣科教仪器有限公司QO霍耳电源与毫特计输入、输出OoOOOIHIM电磁铁直流电源正外接电阻电反源反数字电压表UHD0O图1仪器面板图（2）电源插头各引线对应的输入输出端简介：1和2端为样品（砷化镓传感器）直流恒流源；3和4端为式特斯拉计探测所用电源；5和6端为数字式特斯拉计探测器输出电压端（接显示器）。（3）砷化镓霍耳传感器引脚介绍。1和3脚电源输入端：2和4脚为输出霍耳电势差- 2-
- 2 - 图 1 仪器面板图 （2）电源插头各引线对应的输入输出端简介： 1 和 2 端为样品（砷化镓传感器）直流恒流源; 3 和 4 端为式特斯拉计探测所用电源； 5 和 6 端为数字式特斯拉计探测器输出电压端（接显示器）。 （3）砷化镓霍耳传感器引脚介绍。 1 和 3 脚电源输入端； 2 和 4 脚为输出霍耳电势差 FD－HL－5 霍耳效应实验仪 电磁铁直流电源 电流调节 数字电压表 霍耳电流调节 毫特计调零 上海复旦天欣科教仪器有限公司 开 关 ｍA ｍV ｍT N S 霍耳电源与 毫特计输入、输出 电磁铁直流电源 IM 正 反 电 源 数字电压表 反 IH 正 IH UH 外接电阻
-234-红绿墨黄（线）图2电源插头各引线对应的输入端图3砷化霍耳传感器外型图四、使用注意事项1，仪器应预热15分钟，待电路接线正确，方可进行实验。2.直流稳流电源（0-500mA）与电磁铁相接，直流稳压电源用于提供霍耳元件工作电流（0-5mA），相互不能互换。接错时，易将霍耳元件超过工作电流损坏。3.霍耳元件易碎，引线也易断，不可用手折碰。砷化元件通过电流小于5mA，使用时应细心。4.电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长，否则线圈易发热，影响实验结果。励磁电流I不得超过0.5A用外接其电流电源时须注意。-3 -
- 3 - 四、使用注意事项 1． 仪器应预热 15 分钟，待电路接线正确，方可进行实验。 2． 直流稳流电源（0-500mA）与电磁铁相接，直流稳压电源用于提供霍耳元件工作电流（0-5mA）， 相互不能互换。接错时，易将霍耳元件超过工作电流损坏。 3． 霍耳元件易碎，引线也易断，不可用手折碰。砷化镓元件通过电流小于 5mA，使用时应细心。 4． 电磁铁磁化线圈通电时间不宜过长，否则线圈易发热，影响实验结果。励磁电流IM不得超过0.5A， 用外接其电流电源时须注意。 1 2 3 （ 黄 ） （ 黑 ） （ 绿 ） （ 红 ） 4 （线） 图 3 砷化镓霍耳传感器外型图 2 3 4 5 6 7 1 图 2 电源插头各引 线对应的输入端
用霍耳传感器测磁场（以下讲义由复旦大学物理教学实验中心提供）当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，导电体两侧产生电势差的现象。1879年为美国物理学家霍耳所发现，此现象称霍耳效应。一般说来，金属和电解质的霍耳效应都很小，但半导体则较显著。N型锗、锑化铟、磷砷化铟、砷化镓等霍耳系数很高的半导体材料，常被用于制作霍耳元件。砷化镓霍耳元件尤以灵敏度高、线性范围广和温度系数小等优点，在磁场测量中经常被应用。对磁感应强度的测量，用霍耳元件优点是使用简便，探头小，适用计量小范围磁场，这种方法测量的相对不确定为10-2-10"。本实验要求学习者深入了解霍耳效应的基本原理；学习测量霍耳元件灵敏度的方法以及用霍耳元件测量磁场。1【实验原理】1/IH1．霍耳效应FRFE霍耳电势差是这样产生的：当电流I通过霍耳元件2D（假设为P型）时，空穴有一定的漂移速度U，垂直磁E场对运动电荷产生一个洛伦兹力。?F=q(U×B)(1)图1霍耳效应简图式中q为电子电荷，洛伦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向电场E，直到电场对载流子的作用力F=qE磁场作用的洛伦兹力相抵消为止，即q(U×B)=qE(2)这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。如果是N型样品，则横向电场与前者相反，所以N型样品和P型样品的霍耳电势差有不同的符号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。设P型样品的载流子浓度为p，宽度为の，厚度为d，通过样品电流Irpquαd，则空穴的速度- 4 -
- 4 - 用霍耳传感器测磁场 （以下讲义由复旦大学物理教学实验中心提供） 当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，导电体两侧产生电势差 的现象。1879 年为美国物理学家霍耳所发现，此现象称霍耳效应。一般说来，金属和电解质的霍耳 效应都很小，但半导体则较显著。N 型锗、锑化铟、磷砷化铟、砷化镓等霍耳系数很高的半导体材 料，常被用于制作霍耳元件。砷化镓霍耳元件尤以灵敏度高、线性范围广和温度系数小等优点，在 磁场测量中经常被应用。对磁感应强度的测量，用霍耳元件优点是使用简便，探头小，适用计量小 范围磁场，这种方法测量的相对不确定为 10-2— 10-3。本实验要求学习者深入了解霍耳效应的基本原 理；学习测量霍耳元件灵敏度的方法以及用霍耳元件测量磁场。 【实验原理】 1. 霍耳效应 霍耳电势差是这样产生的：当电流 IH 通过霍耳元件 （假设为 P 型）时，空穴有一定的漂移速度 υ，垂直磁 场对运动电荷产生一个洛伦兹力。 F q ( B) B = （1） 式中 q 为电子电荷，洛伦兹力使电荷产生横向的偏转，由于样品有边界，所以有些偏转的载流子将 在边界积累起来，产生一个横向电场 E，直到电场对载流子的作用力 FE=qE 磁场作用的洛伦兹力相 抵消为止，即 q B q E ( ) = （2） 这时电荷在样品中流动时将不再偏转，霍耳电势差就是由这个电场建立起来的。 如果是 N 型样品，则横向电场与前者相反，所以 N 型样品和 P 型样品的霍耳电势差有不同的符 号，据此可以判断霍耳元件的导电类型。 设 P 型样品的载流子浓度为 p，宽度为ω，厚度为 d，通过样品电流 IH=pqυωd，则空穴的速 度 图 1 霍耳效应简图 ω d FE B 4 1 2 IH F B υ 3