Transcript 量子霍尔效应
大学物理实验 霍尔效应研究 内容介绍 • • • • • • • • • 1，背景知识 2，实验目的 3，实验原理 4，实验内容 5，注意事项 6，数据记录 7，思考题 8，知识拓展 9，操作示范 一、背景知识 1. 霍尔效应是美国物理学家霍尔1879年发现的。 霍耳在实验中发现：放在磁场中导体块，当通有电流 时，除了电流两端有电势差，在与磁场、电流均垂直 的方向也有电势差－这就是霍耳效应。 Ｂ d b UH Ｉ IB UH K d 一、背景介绍 2.霍尔效应应价值。 • • 根据霍尔效应原理制备的霍尔元件是一种磁传 感器，可将许多非电、非磁的物理量例如力、力 矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、 角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变 化的时间等，转变成电量来进行检测和控制 . 它具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻， 寿命长，安装方便，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 二、实验目的 • （1）了解霍尔效应微观机理。 • （2）测绘试样的VH-IS 和VH-IM曲线。 三、实验原理 IB UH K d 1、霍耳效应的微观机理 M EH N v fm fe ﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢﹢ ﹢ ﹢ f m ev B fe e EH f m fe I ？ UH vB EH b UH vB b 2、电流强度的微观机理 设单位体积内载流子数密 度为n，则电流强度为 M I nqvbd I N 1 IB UH nq d 将上式与实验结果 1 K nq UH K IB b 相比，可知： --------霍尔系数 Ｂ 3、测绘曲线基本原理 d 实验证明：霍耳电势差 b IB UH K d ① 式中 K 称作霍耳系数 ② 式中的的为导体块顺着 磁场方向的厚度。 实验表明：UH与导体块的 宽度b无关。 UH Ｉ 具体运用的两个例子： IB bU H 由 U U R ◇测量磁场 得 B H H b IRH 利用此原理制成高斯计测量外界 磁场。探头用霍尔元件制成，通过 测量 UH，折算成 B 。 ◇测量大电流----几万安培 I B 高 斯 计 探头 用霍尔元件测量大电流周围的磁 场，可推算出动力线中流过的电流 I。 IB 由 U H U RH 求出 B b 再由无限长电流 I 与 B 之间的关 系可知 I 。 附：本实验中磁场及测量 铁心磁导率 r 1 ， 铁心面束缚电流 线圈中的励磁电流。 （同向？反向？） 等效螺线管 由 铁 心 （ 或 一 定的间隙）构成 的磁力线集中的 通路叫磁路。 强磁场集中到铁心内部且均匀！（p182-19.13) 四、实验内容 • 1，熟悉实验仪器的面板结构，了解各“调节”旋钮 的作用和注意事项，正确联线。 • 2，接通电源，预热5分钟。 • 3，保持励磁电流IM＝400mA不变，改变工作电流Is, 测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-Is曲线 。 • 4，保持工作电流Is＝2.00mA不变，改变励磁电流IM, 测量对应的霍尔电压VH，绘制VH-IM曲线 。 •1.熟悉实验仪器的面板结构，了解各“调节”旋钮的作用 和注意事项，正确联线。 •2，接通电源，预热5分钟。 •3，保持电流IM＝400mA不变，改变电流Is,测量对应的 霍尔电压VH，绘制VH-Is曲线 。 •4，保持磁场电流Is＝2.00mA不变，改变电流IM,测量对 应的霍尔电压VH，绘制VH-IM曲线 。 五、注意事项： • • • • • 1.请勿移动霍尔片的位置! 2.电流和磁场的正负：(上正下负） 闸刀向上合时，电流和磁场的为正。 3.仪表稳定后方可读数。 4.Is和IM千万不可联错。 六、数据记录表 表一 保持励磁电流IM＝400mA不变，改变工 作电流Is,测量对应的霍尔电压VH，绘制VHIs曲线 。 表二：保持工作电流Is＝2.00mA不 变，改变电流IM,测量对应的霍尔电压 VH，绘制VH-IM曲线 。 七、思考题 • 1，霍耳电压是怎样形成的？ • • • • • • 答：霍耳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方向 上产生正负电荷的聚积，正负电荷之间的电 位差即为霍尔电压。 • 2，如何观察不等位效应？如何消除它？ 答：这是由于测量霍耳电压的电极A和 A‘位置难以做到在一个理想的等势面 上，因此当有电流通过时，即使不加 磁场，也会产生附加的电压V0 ＝ISr， 其中r为A、A’所在的两个等势面之间 的电阻。 V0的符号只与电流的方向有 关，与磁场的方向无关，因此，可以 通过改变电流的方向予以消除。 八、知识拓展 量子霍尔效应 克利青在1985年获得了诺贝 尔物理奖。 分数量子霍尔效应 华裔诺贝尔获奖者==崔琦 九、示范操作 实验中的负效应 • 在产生霍耳效应的同时，因伴随着各 种副效应。 • 1.不等势电压（电极位置上下不一致） • 2.热磁效应的直接附加电压（两电极电 阻不等，发热不同）。 • 3.热磁效应的热效应的附加电压 （1）不等电势差 不等电势差是由于霍尔元件的材料本身不均匀，以及 电压输入端引线在制作时不可能绝对对称地焊接在霍尔片 的两侧，如图所示。因此，当电流 I H 流过霍尔元件时， 在电极3、4间也具有电势差，记为 V0 ，其方向只随 I H 方 向不同而改变，与磁场方向无关。 4 e 1 2 IH c 3 消除负效应的办法 •采用电流和磁场换向的对 称测量法，基本上能把副 效应的影响从测量结果中 消除 .