在勻強磁場中放置一個截面為矩形的通電導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片,當磁場方向與電流方向垂直時,在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢差,這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng),產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓UH?;魻栯妷号c電流之比稱為霍爾電阻RH。
(1)圖甲所示的半導(dǎo)體薄片的厚度為d,薄片中自由電荷的電荷量為q,單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n。磁感應(yīng)強度大小為B。請你推導(dǎo)霍爾電阻RH的表達式。
(2)在發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)約100年后,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料的霍爾電阻,在低溫和強磁場下,與外加磁場的關(guān)系出現(xiàn)一個個的“平臺”,在平臺處霍爾電阻嚴格等于一個常數(shù)除以正整數(shù),即RH=hie2,其中h為普朗克常數(shù),e為電子電荷量,i為正整數(shù),這個現(xiàn)象被稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。在環(huán)境溫度小于4K時,霍爾電阻RH與外加磁場的磁感應(yīng)強度B的關(guān)系圖像如圖乙所示。由于量子霍爾電阻只與基本物理常數(shù)有關(guān),國際計量委員會推薦在世界范圍內(nèi)用量子電阻標準替代實物電阻標準,以避免實物電阻阻值因環(huán)境影響而變化。由于霍爾電阻與實物電阻的定義并不相同,因此需要利用一些方法才可以將量子霍爾電阻標準電阻值“傳遞”給實物電阻?!皞鬟f”的一種方法叫“電位差計比較法”,其原理可簡化為圖丙所示電路,把可調(diào)實物電阻與量子霍爾電阻串聯(lián),用同一個電源供電,以保證通過兩個電阻的電流相等。通過比較霍爾電勢差與實物電阻兩端的電勢差,即可達到比較霍爾電阻與實物電阻阻值的目的。
a.某次實驗時,霍爾元件所處環(huán)境溫度為1.5K,磁感應(yīng)強度大小為8T,此時a、b兩點間的霍爾電勢差與c、d兩點間的電勢差相等。若h=6.63×10-34J?s,e=1.6×10-19C。通過分析,計算該實物電阻的阻值RS(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。
b.如果要通過量子霍爾效應(yīng)“傳遞”出一個阻值為h3e2的標準實物電阻,請你說明操作思路。
R
H
=
h
i
e
2
h
3
e
2
【考點】霍爾效應(yīng)與霍爾元件.
【答案】見試題解答內(nèi)容
【解答】
【點評】
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