1、霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用深圳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 2021.7背景介紹★1980，德國(guó)，克利青，在很低溫度1.5K，磁感應(yīng)強(qiáng)度18T下，發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)?！锘羲固亍に雇袪柲?、崔琦和羅伯特·勞克林，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！锘魻栃?yīng)是1879年，霍爾24歲時(shí)在美國(guó)霍普金斯大學(xué)研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。單層石墨烯的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)雙層石墨烯的反常整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（插圖）是的量子化綠線紅線★2013年，薛其坤院士團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，2018年國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。seveneleven成千上萬(wàn)個(gè)螺釘嚴(yán)格分類，一個(gè)科學(xué)家非常重要的環(huán)節(jié)7-11院士能力是有限的，努力是無(wú)限的！霍爾效應(yīng)的應(yīng)用1、測(cè)量載流子濃度；2、霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)；3、電磁無(wú)損探傷；4、霍爾傳感器廣泛用于汽車工業(yè)；5、量子反?；魻栃?yīng)將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的物理原理；2、學(xué)習(xí)控制變量法和對(duì)稱測(cè)量法；3、測(cè)量霍爾器件的輸出特性；4、利用霍爾元件測(cè)量長(zhǎng)直螺線管的軸向磁場(chǎng)分布（霍爾效應(yīng)的應(yīng)用）。二、實(shí)驗(yàn)原理/2.1、霍爾效應(yīng)OyzxBIＡＢv：霍爾電動(dòng)勢(shì)：霍爾器件的靈敏度：材料的霍爾系數(shù)1、霍爾電勢(shì)洛倫茲力靜電場(chǎng)力二力平衡

2、樣品的導(dǎo)電類型N型：在如圖條件下，A點(diǎn)高于BP型：在如圖條件下，Ｂ點(diǎn)高于Ａ1、控制變量法（1）控制B不變，研究VH和工作電流I的關(guān)系．（2）控制工作電流I不變，研究VH和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系二、實(shí)驗(yàn)原理/2.2、霍爾器件的輸出特性測(cè)量等位面電壓端電流端2、附加電動(dòng)勢(shì)電熱（愛(ài)廷豪森效應(yīng)）溫差（能斯特效應(yīng)里紀(jì)勒杜克效應(yīng)）不等電位差（零位誤差）3、對(duì)稱測(cè)量法消除附加電動(dòng)勢(shì)

通過(guò)改變磁場(chǎng)的方向或改變霍爾電流的方向，即分別測(cè)量四組不同方向的Is和B組合的VAA’，然后求平均。例如：能斯特（Nernst）效應(yīng)引起的VN的方向僅與B的方向有關(guān)。

+Is,+B:V1=VH+VN-Is,+B:V2=-VH+VNV1-V22=VH提問(wèn)：不等電位效應(yīng)可以改變那個(gè)變量來(lái)消除？二、實(shí)驗(yàn)原理/2.2、霍爾器件的輸出特性測(cè)量1、測(cè)量螺線管的磁場(chǎng)分布R二、實(shí)驗(yàn)原理/2.3、霍爾器件的應(yīng)用三、實(shí)驗(yàn)儀器/3.1、霍爾器件輸出特性測(cè)量?jī)x器VH輸出三、實(shí)驗(yàn)儀器/3.1、霍爾器件輸出特性測(cè)量?jī)x器1、測(cè)試儀開(kāi)關(guān)機(jī)前將IS和IM旋鈕逆時(shí)針轉(zhuǎn)到底，防止輸出電流過(guò)大；2、IS和IM接線不可顛倒，以防燒壞霍爾片；3、式樣應(yīng)置于螺旋線圈/鐵芯氣隙內(nèi)磁場(chǎng)均勻處（即盡量處于中心）。4、電壓表調(diào)零（提問(wèn)）三、實(shí)驗(yàn)儀器/3.3、儀器操作注意事項(xiàng)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容/4.1、霍爾器件輸出特性測(cè)量IS/mAV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH=(V1-V2+V3-V4)/4/mV+B,+Is-B,+Is-B,-Is+B,-Is1.001.502.002.503.003.504.001、測(cè)繪VH—IS

曲線（實(shí)驗(yàn)儀雙刀開(kāi)關(guān)倒向“VH”，測(cè)試儀功能選擇置于“VH”，然后調(diào)節(jié)IM=0.5A．）

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容/4.1、霍爾器件輸出特性測(cè)量2、保持IS

的值不變測(cè)繪曲線VH—IＭ（IS=3.00mA）IM/AV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH=(V1-V2+V3-V4)/4/mV+B,+Is-B,+Is-B,-Is+B,-Is0.3000.4000.5000.6000.7000.800注意記錄電磁鐵規(guī)格數(shù)值K，單位為千高斯/安(KGs/A)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容/4.2、測(cè)量螺線管軸線上磁場(chǎng)分布x/mmV1/mVV2/mVV3/mVV4/mVVH/mVB/T+B,+Is-B,+Is-B,-Is+B,-Is注意紀(jì)錄線圈的霍爾靈敏度KH，單位mV/(mA

T)

B

=

VH/

(KH

IS)

（

IM=0.500A，IS=3.00mA)

首先調(diào)零，然后設(shè)定勵(lì)磁電流、工作電流，將霍爾片從螺線管右端移到左端，記錄數(shù)據(jù)。（提問(wèn)關(guān)于如何選取步長(zhǎng)）五報(bào)告要求5.1、數(shù)據(jù)處理要求5.2、結(jié)果陳述與總結(jié)5.3、思考題2、做IM—VH曲線3、做IS—VH曲線4、計(jì)算（按國(guó)際單位計(jì)算）5、作螺線管軸線上磁場(chǎng)分布曲線1、原始數(shù)據(jù)抄入正文,正確計(jì)算VH和B1、回答教材P24思考題1-2閱讀材料1、厄廷豪森（Etinghausen）效應(yīng)引起的電勢(shì)差由于電子實(shí)際上并非以同一速度v沿X軸負(fù)向運(yùn)動(dòng)，速度大的電子回轉(zhuǎn)半徑大，能較快地到達(dá)接點(diǎn)3的側(cè)面，從而導(dǎo)致3側(cè)面較4側(cè)面集中較多能量高的電子，結(jié)果3、4側(cè)面出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。１２３４ＩＢ2、能斯特（Nernst）效應(yīng)引起的電勢(shì)差

焊點(diǎn)1、2間接觸電阻可能不同，通電發(fā)熱程度不同，故1、2兩點(diǎn)間溫度可能不同，于是引起熱擴(kuò)散電流。與霍爾效應(yīng)類似，該熱電流也會(huì)在3、4點(diǎn)間形成電勢(shì)差。的方向僅與B的方向有關(guān)。閱讀材料3、里紀(jì)——勒杜克（Righi—Leduc）效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差

在能斯特效應(yīng)的熱擴(kuò)散電流的載流子由于速度不同，一樣具有厄廷豪森效應(yīng)，又會(huì)在3、4點(diǎn)間形成溫差電動(dòng)勢(shì)。的正負(fù)僅與B的方向有關(guān)，而與I