《大学物理实验》课程教学资源（教案）霍尔效应及应用

大学物理实验教案霍耳效应及其应用实验题目实验性质2教师基本实验实验学时龙作友了解霍尔效应原理1.教学目的12.测绘霍尔元件的UH—Is和UH—IM曲线，确定其线性关系。3.确定霍尔元件的导电类型。测量其霍尔系数、载流子浓度重点消除副效应对测量结果的影响副效应的产生机理1.难点怎样消除影响测量准确性的附加效应2.课前的准备：1.仪器设备的检查，连接线路检查。时间的掌握：留5分钟机动的时间。2.熟悉仪器使用，调节仪器读取测量量。3.根据实验内容绘制出数据记录表格。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(5分钟)(30分钟)二、讲解的设计1、引言霍尔效应是一种磁电效应，是美国物理教学家霍尔（EdwinHerbertHall，1855-学过程的1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当磁场垂直于电流时，在导体垂直于磁场的两侧间会出现电势差，这一现象就设是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势计差。二十世纪五十年代以来，由于半导体工艺的发展，先后制成了多种有显著霍尔效应的材料，这一效应的应用研究也随之发展起来。现在，霍尔效应已在测量技术、自动化技术、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用。霍尔效应还是研究半导体材料性能的基本方法，通过测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。了解霍尔效应的原理和特点，可以有效地对其开发应用。通过本实验可以学习霍尔效应原理，测量其特性，学习用霍尔效应研究半导体材料特性的方法。在实验方法上学习消除不等位电势差等副效应的

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 霍耳效应及其应用 实验性质 基本实验 实验学时 2 教师 龙作友 教学目的 1. 了解霍尔效应原理 2. 测绘霍尔元件的 UH—IS 和 UH—IM 曲线，确定其线性关系。 3. 确定霍尔元件的导电类型。测量其霍尔系数、载流子浓度。 重 点 消除副效应对测量结果的影响 难 点 1. 副效应的产生机理 2. 怎样消除影响测量准确性的附加效应 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查，连接线路检查。 2.熟悉仪器使用，调节仪器读取测量量。 3.根据实验内容绘制出数据记录表格。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (30 分钟) 1、引言 霍尔效应是一种磁电效应，是美国物理 学家霍尔（Edwin Herbert Hall，1855— 1938）于 1879 年在研究金属的导电机构时 发现的。当磁场垂直于电流时，在导体垂直 于磁场的两侧间会出现电势差，这一现象就 是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势 差。二十世纪五十年代以来，由于半导体工 艺的发展，先后制成了多种有显著霍尔效应 的材料，这一效应的应用研究也随之发展起来。现在，霍尔效应已在 测量技术、自动化技术、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用。 霍尔效应还是研究半导体材料性能的基本方法，通过测定的霍尔系数， 能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要 参数。 了解霍尔效应的原理和特点，可以有效地对其开发应用。通过本 实验可以学习霍尔效应原理，测量其特性，学习用霍尔效应研究半导 体材料特性的方法。在实验方法上学习消除不等位电势差等副效应的 时间的掌握：留 5 分钟 机动的时间

对称测量法。2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计原则实验原理霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用后发生偏转而产生的。洛仑兹力使得半导体中载流子偏移出现正负电荷分布而产生霍尔电场，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子不在偏移，这样就在霍尔片两个分布电荷的平面间形成了恒定的电位差一一霍尔电位差UH：B=R.IB11,BUH=R==Rdne d系数RH-1/ne称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，载流子浓度n越小，则越大，U也越大，所以只有当半导体（n比金属的小得多出现以后，霍尔效应的应用才得以发展。通过霍尔效应实验，测得UH、Is、B、d就可以得到半导体材料的霍尔系数，进而得到半导体材料的特性参数载流子浓度n。3、实验的拓展：（由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学生利用现有的设备拓展出新的实验内容，培养学生的创新思维和创新能力。）1)、测量霍尔片的特性曲线2）、利用霍尔效应测大电流4.数据的测量与处理讲作图法1）用做图法绘制UH~I和UH~IM曲线2）计算霍尔系数RH。5.介绍主要仪器设备与使用介绍工作电流Is及磁感应强度B的换向操作。6.强调实验中要注意的问题

对称测量法。 2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用后发生 偏转而产生的。洛仑兹力使得半导体中载流子偏移出现正负电荷分布 而产生霍尔电场，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子 不在偏移，这样就在霍尔片两个分布电荷的平面间形成了恒定的电位 差——霍尔电位差 UH ： 系数 RH=1/ne 称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要参数， 载流子浓度 n 越小,则 RH 越大，UH 也越大，所以只有当半导体(n 比金 属的小得多)出现以后，霍尔效应的应用才得以发展。通过霍尔效应实 验，测得 UH、IS、B、d 就可以得到半导体材料的霍尔系数，进而得到 半导体材料的特性参数载流子浓度 n。 3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学 生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新 能力。) 1）、测量霍尔片的特性曲线 2）、利用霍尔效应测大电流 4. 数据的测量与处理 1) 用做图法绘制 UH  I 和 UH  IM 曲线 2) 计算霍尔系数 RH。 5．介绍主要仪器设备与使用 介绍工作电流 IS 及磁感应强度 B 的换向操作。 6．强调实验中要注意的问题 讲作图法

1）、霍尔片必须放到电磁铁的气隙内。2）、霍尔片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！3）、电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。三、学生的实验开始（50分钟）四、指导实验提醒学生思考：实验数据应该有什么规律，如果出错测得的数据不反映出霍尔效应的规律，如何找到错误所在？重点辅导：五、检查实验的结果，签字六、实验小结（实验结束前的5分钟）1、验中有哪些影响测量准确度的因素？2、用作图法处理实验数据时，是如何利用多次测量来减小测量不确定度的？3、拓展题目完成的意义。课1.若磁场方向与霍尔片法线方向不一致，对测量结果有何影响？后2.以简图示意，用霍尔效应法判断霍尔片上磁场方向。思考3.简要说明电力工程中应用霍尔效应测量大电流的方法。题1.《大学物理实验》，李学慧、高峰等编，高等教育出版社，出版时间2005年6月参考2.《大学物理实验》，高峰等编，东北大学出版社，出版时间1994年3月文献本实验使用PPT演示教学。内容包括：板实验目的书内1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法容2、了解霍尔效应产生的原理3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的方法霍尔效应简介简介霍尔效应的历史发现及当今应用。重点与难点

1）、霍尔片必须放到电磁铁的气隙内。 2）、霍尔片允许通过电流很小，切勿与励磁电流接错！ 3）、电磁铁通电时间不要过长，以防电磁铁线圈过热影响测量结果。 三、学生的实验开始 (50 分钟) 四、指导实验 提醒学生思考：实验数据应该有什么规律，如果出错测得的数据 不反映出霍尔效应的规律，如何找到错误所在？ 重点辅导: 五、检查实验的结果,签字 六、实验小结 （实验结束前的 5 分钟） 1、验中有哪些影响测量准确度的因素？ 2、用作图法处理实验数据时，是如何利用多次测量来减小测量不确定 度的？ 3、拓展题目完成的意义。 课 后 思 考 题 1．若磁场方向与霍尔片法线方向不一致，对测量结果有何影响？ 2．以简图示意，用霍尔效应法判断霍尔片上磁场方向。 3．简要说明电力工程中应用霍尔效应测量大电流的方法。 参 考 文 献 1.《大学物理实验》， 李学慧、高峰等编， 高等教育出版社，出版时间 2005 年 6 月 2.《大学物理实验》， 高峰等 编， 东北大学出版社，出版时间 1994 年 3 月 板 书 内 容 本实验使用 PPT 演示教学。内容包括： 实验目的 1、熟悉和掌握霍尔磁场测试仪器和霍尔效应装置的使用方法 2、了解霍尔效应产生的原理 3、学习和掌握了用霍尔效应的方法测量磁场 4、学习霍尔效应研究半导体材料的性能的方法以及消除副效应影响的 方法 霍尔效应简介 简介霍尔效应的历史发现及当今应用。 重点与难点

1、霍尔效应的产生机理2、消除影响测量准确性的附加效应实验原理（将原理部分与原理图分成两块）1.原理部分（左侧）霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑磁力的作用后发生偏转而产生的，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子不1.括号内的解释用语言叙述。再迁移，这样就在霍尔片的上下两个平面间形成了恒定的电位差一霍尔电位差UH，实验测定IB=RBUR=-nedd霍尔电压U与工作电流Is及磁感应强度B成正比，本实验通过测量验证这一关系。系数RH-1/ne称为霍尔系数，通过实验测出。RH是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，载流子浓度n越小，则R越大，U也越大，所以只有当半导体（n比金属的小得多）出现以后，霍尔效应的应用才得以发展。实验的原理图xIFEb1B-eIsIsIFBA2.实验的过程设计（1）拟好实验步骤。（2）根据仪器设备的使用方法，确定各物理量的测量方法

1、 霍尔效应的产生机理 2、消除影响测量准确性的附加效应 实验原理（将原理部分与原理图分成两块） 1.原理部分（左侧） 霍尔效应实质上是运动电荷在磁场中受到洛仑磁力的作用后发生 偏转而产生的，当霍尔电场力与洛仑磁力平衡时，霍尔片中载流子不 再迁移，这样就在霍尔片的上下两个平面间形成了恒定的电位差—— 霍尔电位差 UH，实验测定 霍尔电压 UH 与工作电流 IS 及磁感应强度 B 成正比，本实验通过 测量验证这一关系。 系数 RH=1/ne 称为霍尔系数，通过实验测出。 RH 是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，载流子浓度 n 越小,则 RH 越大，UH 也越大，所以只有当半导体(n 比金属的小得多)出现以后， 霍尔效应的应用才得以发展。 实验的原理图 2.实验的过程设计 （1）拟好实验步骤。 （2）根据仪器设备的使用方法，确定各物理量的测量方法。 1.括号内的解 释用语 言叙述

3实验的拓展1）、测量霍尔元件的不等位电势差2.寻找几名优秀的学2）、测量霍尔片的特性曲线生在课外开放时间内完成拓展实验的题目4表格实验数据记录表格设计实例，给出霍尔器件尺寸等参数的量值。5、实验报告的要求：1）霍尔元件特性曲线作图要求坐标轴刻度便于描点和读数，坐标轴名称单位标准清楚，坐标轴方向符合习惯2）数据处理要求列出公式和带入数值的算式，结果的数值、单位、有效数字都要正确。6、黑板黑板用于必要的补充解释，根据学生理解情况临时板书

3 实验的拓展 1）、测量霍尔元件的不等位电势差 2）、测量霍尔片的特性曲线 4 表格 实验数据记录表格设计实例，给出霍尔器件尺寸等参数的量值。 5、实验报告的要求： 1) 霍尔元件特性曲线作图要求坐标轴刻度便于描点和读数，坐标轴 名称单位标准清楚，坐标轴方向符合习惯。 2) 数据处理要求列出公式和带入数值的算式，结果的数值、单位、 有效数字都要正确。 6、黑板 黑板用于必要的补充解释，根据学生理解情况临时板书。 2.寻找几名优 秀的学 生在课外开放 时间内 完成拓展实验的题目

《物理实验》教案（霍耳效应及应用）龙作友武汉理工大学物理实验中心

《物理实验》教案 （霍耳效应及应用） 龙作友 武汉理工大学物理实验中心