【目的与任务】
1、掌握测试霍尔器件的工作特性；
2、学习用霍尔效应测量磁场的原理和方法；
3、学习用霍尔器件测绘长直螺线管的轴向磁场分布。
【仪器与设备】
螺线管磁场实验仪，螺线管磁场测试仪（它们带有直流电源，数字电流表，数字电压表，坐标轴）。
实验装置简介：
TH—S型螺线管磁场测定实验组合仪全套设备由实验仪和测试仪两大部分组成。
一、实验仪
1、长直螺线管
长度L=28cm，单位长度的线圈匝数N(匝／米)标注在实验仪上。
2、霍尔器件和调节机构
霍尔器件如图1所示，它有两对电极，A、A′电极用来测量霍尔电压VH，D、D′电极为工作电流电极，两对电极用四线扁平线经探杆引出，分别接到实验仪的IS换向开关和VH输出开关处。
图1 样品示意图
霍尔器件的灵敏度KH与载流子浓度成反比，因半导体材料的载流子浓度随温度变化而变化，故KH与温度有关。实验仪上给出了该霍尔器件在15℃时的KH值。
实验仪如图2所示。探杆固定在二维(X、Y方向)调节支架上。其中Y方向调节支架通过旋钮Y调节探杆中心轴线与螺线管内孔轴线位置，应使之重合。X方向调节支架通过旋钮X 1、X 2调节探杆的轴向位置。二维支架上设有X 1、X 2及Y测距尺，用来指示探杆的轴向及纵向位置。
仪器出厂前探杆中心轴线与螺线管内孔轴线已按要求进行了调整，因此，实验中，Y旋钮无需调节。
如操作者想使霍尔探头从螺线管的右端移至左端，为调节顺手，应先调节X1旋钮，使调节支架X1的测距尺读数X1从0.0→14.0 cm，再调节X2旋钮，使调节支架X2测距尺读数X2从0.0→14．0 cm，反之，要使探头从螺线管左端移至右端，应先调节X2，读数从14.0 cm→0.0，再调节X1，读数从14.0 cm→0.0。
图2 实验仪示意图
霍尔探头位于螺线管的右端，中心及左端，测距尺指示为:
位置 | 左端 | 中端 | 右端 | |
测距尺读数（cm） | X1 | 0 | 14 | 14 |
X2 | 0 | 0 | 14 | |
3、工作电流IS及励磁电流IM换向开关；霍尔电压VH输出开关。三组开关与对应的霍尔器件及螺线管线包间连线出厂前均已接好。
4、测试仪面板如图3所示。IS输出：霍尔器件工作电流源，输出电流0～10mA，通过IS调节旋钮连续调节。IM输出：螺线管励磁电流源，输出电流0～1A。通过IM调节旋钮连续调节。
上述两组恒流源读数可通过“测量选择”按键共用一只3 1／2位LED数字电流表显示，按键测IM，放键测IS。
图3 测试仪面板图
4、直流数字电压表
3 1／2位数字直流毫伏表，供测量霍尔电压用。电压表零位可通过面板左下方调零电位器旋钮进行校正。
5、直流数字毫伏表
测量范围±20mV。
3 1／2位发光管数字显示，精度不低于0.5％。
注：IS和IM两组恒流源也可用于需要直流恒流供电的其他场合，用户只要将“VH”短接，可按需要选取一组或两组恒流源使用均可。
【原理与方法】
霍尔效应在现代测量中得到了很广泛的应用，已生产出各种各样的霍尔片，各种带稳压电路和放大器的霍尔集成器，用于测量半导体材料的电学参量；用于测量磁感应强度、功率、压力、位移和流量。利用霍尔效应还可做成模拟乘法器，做成高灵敏度的遥控开关。
本实验的目的是观察霍尔电动势随磁场和电流变化的现象；了解应用霍尔效应测量磁场的
两种方法，并加以比较；掌握判断半导体材料导电类型的方法；掌握用低电势电位差计测量霍尔电压和霍尔系数的方法。
如图4所示，将一块金属或半导体材料垂直放在磁场B中，在垂直于磁场的方向上通以电流I，则在与这两者相垂直的方向上会产生一个电动势VH。这现象称为霍尔效应，VH叫做霍尔电动势。
图4
设单位体积的导体材料内的载流子数目为n，每个载流子的电荷量为q，霍尔元件内通入的电流为I，通过电流的横截面积为ab，则导体内各点的电流密度为，载流子的漂移速度为
(1)
运动着的载流子在垂直外磁场B的作用下，受到的洛仑磁力为
特斯拉效应 (2)
受洛仑兹力作用，载流子正负电荷分别向两侧聚积，此状态很快达到动态平衡，形成一电场，而电场力为，它与洛仑兹力大小相同方向相反，即
(3)
把(1)式代入上式整理后，得到宽度为a的霍耳片两侧形成的电动势为：
(4)
式中称为霍尔系数，称为霍尔灵敏度，通常由霍尔片材料的性质和尺寸决定。由(4)式知，霍尔片厚度b越小，霍尔电动势越大。霍尔集成块中的霍尔片，采用现代扩散工艺，b可达微米数量级。的大小受温度影响较大，要注意消除温度的影响。单立的霍尔片的b值较大，故霍尔电动势数值较小，约为毫伏数量级，需采用电位差计测量。霍尔集成块输出电压约为伏数量级，可直接用数字万用表测量。
(4)式表明，当电流一定时，霍尔电动势与霍尔元件所处磁场的磁感应强度成正比，当确定时，即霍尔灵敏度确定，通过测量霍尔电动势，可间接测出磁感应强度，即
(5)
因此霍尔片可用来制作测量磁场的仪器，即特斯拉计。
1、长直螺线管的磁场分布
设螺线管的半径为，总长度为，单位长度内的匝数为，螺线管上导线是密绕的，取螺线管轴线为x轴，中点O为坐标原点，见图5。当螺线管上通以电流后，根据毕奥一萨伐尔定律，可以推导出管内轴线上任意一点坐标为x的点的磁感应强度为
(6)
式中为真空磁导率。、分别为螺线管轴线上点对两端的张角。
由图5可以看出：
cosβ1=， cosβ2=
图5
于是螺线管中心轴线上任一点处的磁感应强度为
(7)
则坐标原点（）处的磁感应强度为
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