第五章电学实验实验十一用霍耳效应测量螺线管磁场1879年，美国一位年轻的学生霍尔（EdwinHerbertHall.1855-1938）在一次实验中出乎意料地发现，如果在磁场中垂直地放置一张薄金片，沿金片通过电流，就会有一既垂直于电流又垂直于磁场的电压产生.这一现象就叫霍尔效应.金片中产生的横向电压就叫霍尔电压.霍尔电压与电流之比叫做霍尔电阻.霍尔效应可用于测定导体中和半导体中载流子的浓度，并已经成为物理实验室里常用的测量方法.德国物理学家冯·克利青(KlausvonKlitzing,1943-)因发现量子霍尔效应获得了1985年诺贝尔物理学奖；1998年劳克林(RobertB.Laughlin,1950-)、施特默(HorstL.StOmer,1949-)和崔琦(DanielC.Tsui，1939-)三位物理学家因分数量子霍尔效应的发现获得诺贝尔物理学奖，可见霍尔效应对物理学发展的作用极为重要霍耳效应被发现之后，由于这种效应对一般材料来讲很不明显，因而长期未得到实际应用.六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，先后出现了N型锗、锑化钢、磷砷化钢等霍耳系数很高的半导体材料.用来生产的砷化镓制成的霍耳片，其灵敏度可达3×10*V／A·T，用特殊工艺制作的微型霍耳探头其灵敏区域可小到10um.用霍耳元件制成的特斯拉计或磁场测量装置，测量范围可从10T的强磁场到10-7T的弱磁场，测量精度可从1%到0.01%，既可测量大范围的均匀磁场，也可测不均匀场或某点的磁场；既可测直流磁场，也可测脉宽几ms到μs的脉冲磁场或其它交变磁场；既可避免冲击法只能作间断测量的弱点，又不像一般感应法那样必须有运动线圈或磁场的变化.由于上述特点，霍耳效应被广泛用于各种磁场测量的仪器和装置中
第五章 电学实验 实验十一 用霍耳效应测量螺线管磁场 1879 年，美国一位年轻的学生霍尔(Edwin Herbert Hall,1855-1938)在一次实验中 出乎意料地发现，如果在磁场中垂直地放置一张薄金片，沿金片通过电流，就会有 一既垂直于电流又垂直于磁场的电压产生.这一现象就叫霍尔效应.金片中产生的横 向电压就叫霍尔电压.霍尔电压与电流之比叫做霍尔电阻.霍尔效应可用于测定导体 中和半导体中载流子的浓度，并已经成为物理实验室里常用的测量方法.德国物理学 家冯·克利青(Klaus von Klitzing,1943-)因发现量子霍尔效应获得了 1985 年诺贝尔物 理学奖；1998 年劳克林(RobertB.Laughlin,1950-)、施特默(Horst L.StÖmer,1949-)和崔 琦(Daniel C.Tsui，1939-)三位物理学家因分数量子霍尔效应的发现获得诺贝尔物理 学奖,可见霍尔效应对物理学发展的作用极为重要. 霍耳效应被发现之后，由于这种效应对一般材料来讲很不明显，因而长期未得 到实际应用.六十年代以来，随着半导体工艺和材料的发展，先后出现了N型锗、锑 化铟、磷砷化铟等霍耳系数很高的半导体材料.用来生产的砷化镓制成的霍耳片，其 灵敏度可达 3×104 V／A·T，用特殊工艺制作的微型霍耳探头其灵敏区域可小到 10μm 2 .用霍耳元件制成的特斯拉计或磁场测量装置，测量范围可从 10T的强磁场到 10-7T的弱磁场，测量精度可从 1％到 0．01％，既可测量大范围的均匀磁场，也可 测不均匀场或某点的磁场；既可测直流磁场，也可测脉宽几ms到μs的脉冲磁场或其 它交变磁场；既可避免冲击法只能作间断测量的弱点，又不像一般感应法那样必须 有运动线圈或磁场的变化.由于上述特点，霍耳效应被广泛用于各种磁场测量的仪器 和装置中
【实验目的】1.学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法2.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布【实验仪器】螺线管磁场测试仪【实验原理】.霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转.当带电粒子（电子或空穴）被约D束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向A上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场.对于图图5-11-1样品示意5-11-1所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A、A电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场-霍尔电场，即产生霍尔电压.显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eE与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，有下列关系：(5-11-1)VH = KH Is B其中K称为霍尔系数（或叫霍尔片的灵敏度），表示该元件在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电压的大小，它是反映材料的霍尔效应强弱的重要参数，Is为工作电流.因KH已知，而Is由实验给出，所以只要测出V就可以求得未知磁感应强度BVB=(5-11-2)KaIs
【实验目的】 1.学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法. 2.学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布. 【实验仪器】 螺线管磁场测试仪 【实验原理】 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛 仑兹力作用而引起的偏转.当带电粒子（电子或空穴）被约 束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向 上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场.对于图 5-11-1 所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向 加磁场B，则在Y方向即试样A、A＇电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附 加电场-霍尔电场，即产生霍尔电压.显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移， 当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平 衡，有下列关系： 图 5-11-1 样品示意 VH = KH Is B （5-11-1） 其中KH称为 霍 尔 系 数（ 或 叫 霍 尔 片 的 灵 敏 度 ），表 示 该 元 件 在 单 位 磁 感应强度和单位控制电流时霍尔电压的大小，它是反映材料的霍尔效 应 强 弱 的 重 要 参数，Is为工作电流.因KH已知,而Is由实验给出，所以只要测出VH就 可以求得未知磁感应强度B IsK V B H H = （5-11-2）
【实验内容】O000000000000a0011接测试仪报测试仪擦测试仪VE编入Is徐出二编出图5-11-2螺线管磁场测试仪1按图5-11-2连接测试仪和实验仪之间相对应的Is（工作电流）、VH（霍尔电压）和IM（励磁电流）各组连线，并经教师检查后方可开启测试仪的电源，必须强调指出：决不允许将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“Is输入”或“V输出”处，否则一旦通电，仪器即遭损坏！2.测量V-Is数据取Is=8.00mA（或者9.00、10.00mA亦可），并在测试过程中保持不变；取IM=0.800A，并在测试过程中保持不变.依次按表5-11-1所列数据调节X，测出相应的V，、Vz的值，记入表5-11-1中3.计算B的值4.根据对称，画出整个螺线管的X一B曲线【数据记录】表 5-11-1螺线管各点磁场
【实验内容】 图 5-11-2 螺线管磁场测试仪 1．按图 5-11-2 连接测试仪和实验仪之间相对应的Is（工作电流）、VH（霍尔 电压）和IM（励磁电流）各组连线，并经教师检查后方可开启测试仪的电源，必须 强调指出：决不允许将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“Is输入”或 “VH输出”处，否则一旦通电，仪器即遭损坏！ 2． 测量VH-Is数据. 取 Is=8.00mA（或者 9.00、10.00 mA 亦可），并在测试过程中保持不变；取 IM =0.800 A，并在测试过程中保持不变.依次按表 5-11-1 所列数据调节X ，测出相 应的V1 、V2的值,记入表 5-11-1 中. 3. 计算 B 的值. 4．根据对称，画出整个螺线管的 X—B 曲线. 【数据记录】 表 5-11-1 螺线管各点磁场
X;(cm)寄生电压：Vi(mV)总电压：V2(mV)霍尔电压V（mV）螺线管内部场强：B(T）0. 01. 02. 03. 04. 05. 06. 07. 08. 09. 010. 011. 012.013. 014. 0Is=mA,IM=mA,VH=V2- V【注意事项】1.霍尔器件比较容易损坏，实验过程中要比较谨慎.测量时，请注意轻轻缓慢地插入或抽出，以免损坏霍尔器件及连接线2.霍尔器件不宜在超过额定控制电流情况下长期工作，以免发热烧坏3.长直螺线管通电电流不宜过大，以免发热烧坏
X1(cm) 寄生电压：V1(mV) 总电压：V2(mV) 霍尔电压VH(mV) 螺线管内部场强：B(T) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 IS=_ mA， IM=_mA , VH= V2- V1 【注意事项】 1．霍尔器件比较容易损坏，实验过程中要比较谨慎.测量时，请注意轻轻缓慢地 插入或抽出，以免损坏霍尔器件及连接线. 2．霍尔器件不宜在超过额定控制电流情况下长期工作，以免发热烧坏. 3．长直螺线管通电电流不宜过大，以免发热烧坏
实验十二线性电阻和非线性电阻的伏安特性卡文迪许最早进行了电阻测量，比欧姆（G.S.Ohm，1789-1854）早几十年得到欧姆定律，可借他不爱发表自已的成果，直到100多年后才为人所知傅里叶（J.B.J.Fourier，1768-1830）的热传导理论假设，导热杆中两点之间的热流量与这两点的温度差成正比.欧姆受此启发，猜想导线中两点之间电流也许正比于这两点的某种推动力之差.欧姆称之为电张力（electrictension）.这实际上是电势概念.欧姆下了很大功夫进行实验研究，以证实自己的猜想.开始欧姆所用电源是电压不稳定的伏打电堆，后来采用了电压稳定的温差电偶做电源.欧姆自已设计了一种电流扭秤，通过磁针偏转的角度来测量电流强度.1826年，欧姆发现了欧姆定律.但是当时欧姆的研究成果并没有得到德国科学界的重视.欧姆定律传到英国后，在惠斯登努力下，英国人承认了欧姆定律的重要性，1841年，欧姆获得了英国皇家学会的科普利奖此时德国人才认识到欧姆的价值伏安法是用伏特表和安培表根据欧姆定律测量电阻的方法.用伏安测电阻不如用欧姆表简捷，也不如用（惠斯登）电桥测的得精确，但这种方法有其自身的优点：1）测量范围宽，除可以测量中值阻值外，还可以测量低阻和高阻：2）适用性广既可测量线性元件，又可测量非线性元件（例如二极管）的伏安特性曲线.总之，伏安法是目前研究和测量各种元件和材料导电特性最常见的基本方法【实验目的）1.测量线性电阻的伏安特性曲线，并求出电阻值R2.测量半导体二极管的正、反向伏安特性曲线3学会正确使用伏安法测电阻、电阻元件的两种线路
实验十二 线性电阻和非线性电阻的伏安特性 卡文迪许最早进行了电阻测量，比欧姆（G.S.Ohm，1789-1854）早几十年得到 欧姆定律，可惜他不爱发表自己的成果，直到 100 多年后才为人所知.傅里叶 （J.B.J.Fourier，1768-1830）的热传导理论假设，导热杆中两点之间的热流量与这两 点的温度差成正比.欧姆受此启发，猜想导线中两点之间电流也许正比于这两点的某 种推动力之差.欧姆称之为电张力（electric tension）.这实际上是电势概念.欧姆 下了很大功夫进行实验研究，以证实自己的猜想.开始欧姆所用电源是电压不稳定的 伏打电堆，后来采用了电压稳定的温差电偶做电源.欧姆自己设计了一种电流扭秤， 通过磁针偏转的角度来测量电流强度.1826 年，欧姆发现了欧姆定律.但是当时欧姆 的研究成果并没有得到德国科学界的重视.欧姆定律传到英国后，在惠斯登努力下， 英国人承认了欧姆定律的重要性，1841 年，欧姆获得了英国皇家学会的科普利奖， 此时德国人才认识到欧姆的价值. 伏安法是用伏特表和安培表根据欧姆定律测量电阻的方法.用伏安测电阻不如 用欧姆表简捷，也不如用（惠斯登）电桥测的得精确，但这种方法有其自身的优点： 1）测量范围宽，除可以测量中值阻值外，还可以测量低阻和高阻；2）适用性广. 既可测量线性元件，又可测量非线性元件（例如二极管）的伏安特性曲线.总之，伏 安法是目前研究和测量各种元件和材料导电特性最常见的基本方法. 【实验目的】 1．测量线性电阻的伏安特性曲线，并求出电阻值 R. 2．测量半导体二极管的正、反向伏安特性曲线. 3．学会正确使用伏安法测电阻、电阻元件的两种线路