Изучение эффекта Холла. Измерение индукции магнитного поля в зазоре электромагнита с помощью датчика Холла

Санкт-Петербургский государственный горный институт

(технический университет)

Кафедра общей и технической физики

Лабораторная работа №15

Изучение эффекта Холла

Экспериментальная установка для  исследования эффекта Холла.

Санкт-Петербург

2008

Цель работы: 1. Определение постоянной Холла и концентрации носителей заряда для полупроводника из германия с проводимостью n – типа. 2. Измерение индукции магнитного поля в зазоре электромагнита с помощью датчика Холла.

Общие сведения.

Если проводящий образец прямоугольной формы, вдоль которого, по направлению оси х течет постоянный электрический ток I (рис.1), поместить в перпендикулярное к направлению тока магнитное поле с индукцией , то между параллельными току и полю гранями (между точками А и С) по оси у возникает разность потенциалов , =В:

       (1)

где - ширина пластинки; R_Хл – зависящий от материала пластинки коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Холла.

А

Приближенно этот эффект, называемый эффектом Холла, можно объяснить, исходя из классической теории электронной проводимости. Известно, что носителями заряда, обеспечивающими ток в металлах, являются электроны. Ток, протекающий в проводнике определяется:

                  (2)

С

где u - модуль средней скорости направленного движения электронов; е – заряд электрона; n – концентрация электронов, ; аb – площадь торцевой грани пластинки, b – высота пластинки.

В магнитном поле на движущийся электрон действует сила Лоренца, модуль которой определяется:

где a - угол между направлением вектора скорости  и вектора индукции .

  Так как в рассматриваемом случае  и , сила  направлена, как показано на рис.1

  Под действием силы Лоренца  электроны сместятся к верхней грани пластинки и создадут вблизи неё избыточный отрицательный заряд, а на противоположной нижней грани возникнет избыточный положительный заряд. Это приводит к тому, что появляется дополнительное электрическое поле с напряженностью , направленное параллельно ребру b. Вектор напряжённости электрического поля перпендикулярен векторам  и . Это поперечное электрическое поле будет действовать на электрон с силой , которая направлена в сторону, противоположную векторам  и , так как е < 0. Перемещение электронов к верхней грани будет продолжаться до тех пор, пока сила  не станет равной по величине силе Лоренца :

,

откуда . Так как , то разность потенциалов определяется:

 

или

                                                           (3)

Согласно формуле (2) скорость:

;

подставив это значение в равенство (3), получим

+ + + + + + +

– – – – – – – –

v

                                                            (4)

Из равенств (1) и (4) следует, что постоянная Холла

.                                                                (5)

Решив уравнение (4) относительно R_Хл, получим:

                                                          (6)

Это означает, что постоянная Холла равна численно разности потенциалов, возникающей в образце единичной толщины, помещенной в магнитное поле с индукцией, равной единице, при токе I, равном единице.

Напряжение  между точками А и С равно разности потенциалов , тогда:

                                                              (7)

где - напряжение Холла, =В, ширина образца

 Исследуя эффект Холла следует учесть, что при перемене направления магнитного поля поперечная разность потенциалов также должна менять знак (рис. 2). Это обстоятельство позволяет легко отличить истинный эффект Холла от побочных явлений, которые не меняют знак при указанных изменениях. Следует сказать, что изменение тока в датчике также ведет к изменению знака поперечной разности потенциалов, при этом разность потенциалов, вызванная побочными эффектами, также меняет знак.

	Рис.2.  Изменение знака ЭДС Холла при перемене направления магнитного поля.

 

Проводимость при комнатной температуре рассчитывается из значений длины образца , площади поперечного сечения  и сопротивления :

.                                                              (8)

Ддлина образца , площадь поперечного сечения  и сопротивления = 37,3 Ом