[理学]大学物理实验讲义.doc
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1、大学物理实验讲义郑州轻工业学院 技术物理系2010.10目录霍尔效应 1螺线管及亥姆霍兹线圈测磁场 9惠斯通电桥测电阻14空气比热容比的测量18金属线膨胀系数的测量21金属钨的逸出功测量27空气、液体及固体介质的声速测量 33 霍尔效应置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场,这个现象是美国霍普金斯大学物理系二年级24岁的研究生霍尔(E.H.Hall)于1879年研究载流体导体在磁场中受力性质时发现的,后被称为霍尔效应。利用霍尔效应能制成面积很小的霍尔元件,可以测量某点的磁场或缝隙中的磁场。通过霍尔效应测量的霍尔系数,可确定半导体的导电类型
2、、载流子浓度及迁移率等重要参数。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且利用该效应制成的霍尔器件已经广泛应用于非电量电测等检测技术、自动控制和信息处理领域等方面。从1879年至今,霍尔效应的研究在不断深入和发展。1936年苏联实验物理学家基科因()院士发现了铁磁体中的反常霍尔效应,后来在反常霍尔效应的基础上,发现了传导电子与自旋系统激发的相互作用。1980年德国的冯克利青(KVKlitzing)教授宣布了在极强磁场和极低温度下发现的量子霍尔效应,能大大提高有关基本常量的准确度。等离子体霍尔效应为磁流体发电提供了依据。霍尔效应研究不断深入发展的意义是深远和难以估量的。在工业生产要
3、求自动检测和控制的今天,作为敏感元件之一的霍尔元件,将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验,对日后的工作将有益处。【实验目的】1了解霍尔效应的基本原理以及有关霍尔元件对材料要求的知识。2学习用“对称测量法”消除副效应的影响,测量试样的和曲线。3确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。【实验原理】1霍尔效应霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦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,即霍尔电场,这个电场的电势差称为霍尔电压,记做。对于图1(a)所示的N型半导体试样,若在
4、x方向通以电流,在z方向加磁场B,试样中载流子(电子)将受洛伦兹力 (1)图1样品示意图则在y方向上,即试样的A、A电极所在的两侧,就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场霍尔电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对N型试样,霍尔电场沿y轴负方向,对P型试样霍尔电场则沿y轴正方向,有0(P型)。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与洛伦兹力相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡,故有 (2)其中为霍尔电场,是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n,则 (3)由(2)、(3)两式可得 (4)即霍尔电压(A、A电极之间的电压)与乘积成正比
5、,与试样厚度成反比。比例系数称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,只要测出(伏)以及(安)、B(特斯拉)和d(米),可按下式计算(米3/库仑)。 (5)2根据可进一步确定以下参数(1)由的符号(或霍尔电压的正负)判断样品的导电类型判断的方法是按图1所示的和B的方向,若测得的(约占5),因此可略去不计,所以霍尔电压为4电导率的测量可以通过图5.2-1所示的A、C(或A、C)电极进行测量,设A、C间的距离为L,样品的横截面积为,流经样品的电流为,在零磁场下,若测得A、C(或A、C)间的电位差为(),可由下式求得 (8)【实验仪器】HJLIII型霍尔效应实验仪(实验仪和测试仪)。【仪器简
6、介】1 HJLIII型霍尔效应实验仪仪器结构A霍尔元件霍尔元件是由N型硅单晶经过平面工艺制成的磁电转换元件,元件尺寸为420.2mm,元件胶合在白色绝缘衬板上,有4条引出导线,其中2条导线为工作电流极(1、2),2条导线为霍尔电压输出极(3、4),同时将这4条引线焊接在玻璃丝布板上,然后引到仪器换向开关上,并以1、2、3、4表示,能方便进行实验。工作电流需用稳定电源供电,适当减小工作电流,以减少热磁效应引起的误差,最大电流15.0mA。霍尔元件的灵敏度已给出,一般在10.0mv /(mAT)左右,温度变化时,灵敏度也略有变化,这主要是由于不同温度下半导体的载流子浓度不同造成的。B调节装置两螺钉
7、分别调节霍尔元件上下、左右移动,两标尺标明霍尔元件在x、y上的位置。C电磁铁根据电源变压器使用带状铁芯具有体积小和电磁性能高的特点,采用冷轧电工钢带制成,线圈用高强度漆包线多层密绕,层间绝缘,导线绕向即磁化电流的方向已标明在线圈上,可确定磁场方向。线圈的两端引线已连接到仪器的换向开关上,便于实验操作。D换向开关仪器上装有三只换向开关,可以很方便地改变、B 、的方向。原理图及工作电路(如图6所示)图6 霍尔效应实验电路图.产生磁路部分一个有1500匝线包的小型电磁铁T,直流稳压电源提供励磁电流,通过换向开关来改变励磁电流方向,从而改变磁场B的方向。B供给工作电流部分提供霍尔元件工作电流,通过换向
8、开关4 改变工作电流方向。C测量霍尔电压部分mV表测量3、4点间的电位差,即霍尔电压。注意事项A霍尔片工作电流的最大值为:直流15mA;交流有效值为11mA。B电磁铁励磁电流的最大值为直流1A。C本霍尔效应装置,当从“12”通入时,宜令换向开关拨向上方作为、的正向,当从“34”通入时,宜选换向开关拨向下方作为正向。2.HJL-III型霍尔效应测试仪(1)仪器组成由励磁恒流源、样品工作恒流源、数字电流表、数字电压表等单元组成。(2)仪器面板图7所示:图7 HJL-III型霍尔效应测试仪面板图A恒流源在面板的右侧,接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”采用16周多圈电位器,右数显窗显示电流
9、值。B恒流源在面板的中间,接线柱红、黑分别为该电源的输入和输出。“调节”也采用16周多圈电位器,中数显窗显示电流值。C输入在面板左下方,为霍尔电压输入测量端,红、黑分别为正、负极性,左上数显窗显示的测量值。【实验内容】 1. 测量蹄形电磁铁气隙内某一点的磁感应强度 根据实验图,将霍尔效应测试仪的三对接线柱分别与霍尔效应实验仪的三对相应接线端连。 将霍尔片移至气隙大致中央处。 将测试仪“调节”、“调节”旋钮逆时针旋到底,打开电源,预热数分钟。 调节“调节”旋钮,使励磁电流输出为0.400A。 调节测试仪将“调节”旋钮,依次取工作电流为1.00mA、2.00mA、3.00mA、4.00mA、5.0
10、0mA、6.00mA、7.00mA、8.00mA,通过调节实验仪各换向开关,在(,)、(,)、(,)、(,)四种测量条件下,分别测出、,计算出值,利用式计算出各B值,求其平均值,数据填表1。(霍尔片灵敏度值实验室给出。) 表1 实验数据记录参考表次数12345678=0.400(A)工作电流(mA)霍尔电(mV)压(+B,+I)(+B,-I)(-B,-I)(-B,+I)=(-+-)/4=B(mT)*2测定霍尔元件的灵敏度及载流子浓度n 接好仪器,将霍尔片移至x=50.0mm,y=12.0mm处。 调节测试仪,使励磁电流输入为0.600A,工作电流输入为6.00mA。 通过调节实验仪各换向开关,
11、在(,)、(,)、(,)、(,)四种测量条件下,分别测出、,求出霍尔电压。 用特斯拄计测出磁感应强度B。 计算灵敏度及载流子浓度n(d0.2mm)【数据处理】1根据测得的关系和关系,绘制关系曲线和关系曲线。2根据表1,用逐差法处理数据,求出,正确表示计算结果。3根据求得的,计算出样品的、n、 。【注意事项】1仪器出厂前,霍尔片已调至电磁铁中心位置。霍尔片性脆易碎,电极甚细易断,严防撞击或用手触摸,否则极易遭损坏。在需要调节霍尔片位置时,必须谨慎,切勿随意改变其y轴方向的高度,以免霍尔片与磁极面摩擦而受损。2严禁将测试仪的励磁电源“输出”接到实验仪的“输入”或“、输出”,否则一旦通电,霍尔器件即
12、遭损坏。3仪器开机前应将、调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输出电流趋于最小状态,然后再开机。仪器接通电源后,应预热数分钟后再进行实验。关机前,应将、调节旋钮逆时针方向旋到底,使其输出电流趋于零,然后才可切断电源。4每次对双刀开关进行换向前均应将调节旋钮逆时针方向旋到底,以免双刀开关换向时开关打火,产生安全隐患且缩短仪器使用寿命。【预习思考题】1列出计算霍尔系数、载流子浓度n、电导率及迁移率的计算公式,并注明单位。2如已知霍尔样品的工作电流及磁感应强度B的方向,如何判断样品的导电类型?3本实验为什么要用3个换向开关?【分析讨论题】1若磁感应强度B和霍尔器件平面不完全正交,按式(5)测出的霍尔系数比
13、实际值大还是小?要准确测定值应怎样进行?2若已知霍尔器件的性能参数,采用霍尔效应法测量一个未知磁场时,测量误差有哪些来源?螺线管及亥姆霍兹线圈测磁场磁感应强度是电磁学中描述磁场性质的物理量,就研究对象而言,大到天体物理,地球物理,小到原子核物理都离不开磁场的测量.测量环境的不同,测量方法也不同,对于遥远的天体,一般采用共辐射的塞曼分裂测磁场.在实验室环境中,根据被测磁场的类型和大小可以选择的方法很多,常用的有霍尔元件法、冲击电流法和核磁共振法等。本实验介绍霍尔元件法测量磁场。由于霍尔元件的面积可以做的很小,可以较准确地测出某一点的测出大小。仪器用霍尔元件作探头,用来测量通电螺线管内外磁场和亥姆
14、霍兹线圈产生的磁场,并验证直流磁场的迭加原理。【实验目的】1.学习磁场的测量方法;2.研究通电螺线管磁场的分布;3.研究亥姆霍兹线圈的磁场分布。【实验原理】1 霍尔效应如图一所示,在磁场中置入一半导体(设载流子是电子)是长方形薄片,并使半导体片与磁感应强度B的方向垂直.如在半导体AA两端通以控制电流Is(或叫工作电流).那么在另外两端D、D 间就会出现电势差,这种现象叫霍尔效应,其电势差UdUd=UH称为霍尔电压。此类半导体片叫霍尔元件。霍尔效应的出现,是由于运动的电子在磁场中受到洛伦兹力的作用。当我们在霍尔元件两端通上电流Is时,其中的电子就产生定向运动,由于受到洛伦兹力fm作用而偏转,不断
15、地向D端聚集,而在D端则带上等量的正电荷,这样就在D、D之间建立了附加电场En,它被称作霍尔电场。En作用在电子上的电场力fe和洛伦兹力fm方向相反,开始时,feR时,BA=BA=BO/2,B沿X轴的分布如图4中所示.本实验用霍尔元件来测量螺线管中各点的霍尔电压,由下式计算磁感应强度B=UH/IsKH4.亥姆霍兹线圈的磁场线圈通以电流为Im,取两线圈轴线中心点为原点,轴线为X轴其磁场理论值为B=uoNImR2/(R2+X2) 3/2式中N为线圈匝数,R为线圈半径,Im为流过线圈的电流,X为探测点离原点的距离.本实验分别对单个线圈通电和同时通电来验整直流磁场的迭加,迭加后其磁场分布如图5所示.
16、在亥姆霍兹线圈的中心位置存在均匀磁场.改变两线圈的间距d=R/2,d=R, d=2R,其磁场分布如图六所示. 【实验仪器】1 电源1)励磁电流源00.8A输出电流 3位数表指示,量程02A,分辨率2mA2)霍尔元件工作电流源010mA输出电流3位数表指示,量程020mA,分辨率0.01mA2 霍尔元件霍尔元件大小:420.2mm灵敏度10mv/mAT3 螺线管长度 2901mm内径 13.0mm匝数 2850匝4 亥姆霍磁线圈直径 18cm匝数 500匝5 实验装置霍尔探头移动杆上和亥姆霍兹线圈移动间距上有标尺,标尺分度为1mm。【实验内容】1.载流螺线管磁场测量1.把电源的Im输出,Is输出
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