教學章節：實驗  霍爾效應
教學內容：利用霍爾效應原理測量蹄形電磁鐵的磁感應強度
教學學時：3學時
教學目的：
⒈了解產生霍爾效應的基本原理。⒉學會測量霍耳電壓、計算霍爾系數、確定載流子濃度，了解消除副效應的方法。⒊了解用霍爾效應測量磁場的原理和基本方法。
教學重點、難點：霍爾效應的基本原理
教學方法、方式：講解、操作指導
教學過程：（引入、授課內容、小結、作業布置等）
[實驗背景介紹]
霍爾效應是美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機構時發現的一種電磁現象。利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。流體中的霍爾效應是研究“磁流體發電”的理論基礎。
[實驗儀器介紹]
⑴HL-IV型霍爾效應實驗儀； ⑵QS-HB型霍爾效應測試儀； ⑶導線（若干）。

1． HL—IV型霍爾效應實驗儀
⑴儀器結構
A．霍爾元件
霍爾元件是由N型硅單晶經過平面工藝制成的磁電轉換元件，元件尺寸為4×2×0.2mm，元件膠合在白色絕緣襯板上，有4條引出導線，其中2條導線為工作電流極（1、2），2條導線為霍爾電壓輸出極（3、4），同時將這4條引線焊接在玻璃絲布板上，然后引到儀器換向開關上，并以1、2、3、4表示，能方便進行實驗。
工作電流需用穩定電源供電，適當減小工作電流，以減少熱磁效應引起的誤差，最大電流15.0mA。
霍爾元件的靈敏度已給出，一般在10.0mv /（mA•T）左右，溫度變化時，靈敏度也略有變化，這主要是由于不同溫度下半導體的載流子濃度不同造成的。
B．調節裝置
兩螺釘分別調節霍爾元件上下、左右移動，兩標尺標明霍爾元件在x、y上的位置。
C．電磁鐵
根據電源變壓器使用帶狀鐵芯具有體積小和電磁性能高的特點，采用冷軋電工鋼帶制成，線圈用高強度漆包線多層密繞，層間絕緣，導線繞向即磁化電流的方向已標明在線圈上，可確定磁場方向。
線圈的兩端引線已連接到儀器的換向開關上，便于實驗操作。
D．換向開關
儀器上裝有三只換向開關，可以很方便地改變 、B 、 的方向。
⑵原理圖及工作電路（如圖5-22所示）

圖5-22  霍爾效應的實驗電路圖

Ａ.產生磁路部分
一個有1500匝線包的小型電磁鐵T，直流穩壓電源提供勵磁電流，通過換向開關 來改變勵磁電流方向，從而改變磁場B的方向。
B．供給工作電流部分
提供霍爾元件工作電流，通過換向開關Ｋ4 改變工作電流方向。
C．測量霍爾電壓部分
mV表測量3、4點間的電位差，即霍爾電壓。
⑶注意事項
A．霍爾片工作電流 的最大值為：直流15mA；交流有效值為11mA。
B．電磁鐵勵磁電流 的最大值為直流1A。
C．本霍爾效應裝置，當從“1—2”通入 時，宜令換向開關撥向上方作為 、 、 的正向，當從“3—4”通入 時，宜選換向開關撥向下方作為正向。
2．QS—HB型霍爾效應測試儀
（1）儀器組成
由勵磁恒流源 、樣品工作恒流源 、數字電流表、數字電壓表等單元組成。
（2）儀器面板圖34-4所示：圖34-4  QS型霍爾效應測試儀面板圖
A． 恒流源
在面板的右側，接線柱紅、黑分別為該電源的輸入和輸出。“ 調節”采用16周多圈電位器，右數顯窗顯示 電流值。
B． 恒流源
在面板的中間，接線柱紅、黑分別為該電源的輸入和輸出。“ 調節”也采用16周多圈電位器，中數顯窗顯示 電流值。
C． 輸入
在面板左下方，為霍爾電壓 輸入測量端，紅、黑分別為正、負極性，左上數顯窗顯示 的測量值。
（3）儀器的使用
A．“ ”輸出、“ ”輸出和“ ”輸入三對接線柱分別與實驗臺的三對相應接線端相連。注意：千萬不能將 和 接錯，否則 電流將燒壞霍爾樣品。
B．儀器開機關，先將“ 調節”，“ 調節”旋鈕逆時針旋到底，使 、 輸出為最小值。
C．打開電源，預熱數分鐘后即可進行實驗。
D．“ 調節”和“ 調節”兩旋鈕分別用來控制樣品工作電流和勵磁電流大小，其電流值隨鈕順時針方向轉動而增加，調節精度分別為10μA和1mA。
E．關機前，將“ 調節”，“ 調節”旋鈕逆時針旋到底，此時，中右數顯窗顯示為“000”，方可切斷電源。

[實驗原理介紹]
1． 霍爾效應
將一塊半導體或導體材料，沿Z方向加以磁場 ，沿X方向通以工作電流I，則在Y方向產生出電動勢 ，如圖5-20所示，這現象稱為霍爾效應。 稱為霍爾電壓。

 圖5-20  霍爾效應原理圖
實驗表明，在磁場不太強時，電位差 與電流強度I和磁感應強度B成正比，與板的厚度d成反比，即
                                                       (34-1)
或                                                     (34-2)
式（34-1）中  稱為霍爾系數，式（34-2）中  稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv / (mA•T)。產生霍爾效應的原因是形成電流的作定向運動的帶電粒子即載流子（N型半導體中的載流子是帶負電荷的電子，P型半導體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產生的。