Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра Общей и технической физики

(лаборатория электромагнетизма)

Изучение эффекта Холла

Методические указания к лабораторной работе № 15

для студентов всех специальностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

УДК 531/534 (075.83)

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ: Лабораторный практикум курса общей физики. Мустафаев А.С., Пщелко Н.С., Стоянова Т.В. / Санкт-Петербургский горный институт. С-Пб, 2009, 13 с.

Лабораторный практикум курса общей физики по электричеству и магнетизму предназначен для студентов всех специальностей Санкт-Петербургского горного института.

С помощью учебного пособия студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.

Выполнение лабораторных работ практикума проводится студентом индивидуально по графику.

Табл. 2. Ил. 3. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор доц. Н.С. Пщелко

©   Санкт-Петербургский горный институт   им. Г.В. Плеханова, 2009 г.

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.

Теоретические основы лабораторной работы

Первые предложения по техническому использованию эффекта Холла были высказаны на рубеже XIX и XX вв. Но широкое применение этот эффект получил после разработки технологии получения полупроводниковых материалов, характеризующихся значительными подвижностями носителей тока. Эффект Холла позволяет определить концентрацию носителей зарядов в полупроводнике, тип электропроводности и подвижность носителей заряда. Датчики магнитного поля на основе эффекта Холла широко применяются не только в научных исследованиях, но и в технике. Метод измерения тока на основе эффекта Холла – один из методов, имеющих низкую стоимость и массовое производство. Датчики на эффекте Холла являются наиболее распространенными бесконтактными устройствами измерения тока на сегодняшний день.

Эффект Холла лежит в основе технологии бесконтактной регистрации приближения, перемещения и скорости вращения ферромагнитных объектов. Существует более двухсот видов датчиков, различающихся между собой по конструктивным, электрическим и эксплуатационным характеристикам. Условно их можно разделить на две группы: 1) для определения небольших перемещений, построения более сложных датчиков, а также в качестве чувствительного элемента датчиков тока, 2) для определения присутствия какого-либо ферромагнитного объекта в чувствительной области датчика. Это свойство может быть использовано для определения конечного положения металлического объекта или скорости вращения зубчатой шестерни и др.

Таким образом, эффект Холла является мощным методологическим инструментом для исследования различных веществ, а так же является основой работы многих магнитоэлектрических датчиков.

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 точкамиА 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.

Возникновение поперечного электрического поля и соответствующей разности потенциалов в металлах или полупроводниках, по которым проходит электрический ток при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока, называется эффектом Холла.

Приближенно эффект 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)

где  – 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  – угол между направлением вектора скорости и вектора индукции.

Так как в рассматриваемом случае и, силанаправлена, 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 ребруb. Вектор напряжённости электрического поляперпендикулярен векторами. Это поперечное электрическое поле будет действовать на электрон с силой , которая направлена в сторону, противоположную векторам и, так каке  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 токеI, 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 сеченияи сопротивления:

. (8)

Ддлина образца , площадь поперечного сеченияи сопротивления= 37,3 Ом

Подвижность электронов – физическая величина, численно равная средней скорости их направленного движения под действием электрического поля (дрейфовой скорости) с напряжённостьюЕ, равной единице:

Подвижность Холла можно определить по формуле:

. (9)

Схема установки

Рис. 3 Схема измерения постоянной Холла в полупроводнике

М – датчик Холла (Ge-полупроводник n-типа), Э – электромагнит.