謝曉虎

摘要：霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要，針對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中“霍爾效應(yīng)法測量磁場”項(xiàng)目只能測長直螺線管軸線上的磁場分布的不足，并提出一種改進(jìn)方法，測量任一未知磁場在二維空間中的分布，進(jìn)而可擴(kuò)展到測量三維空間磁場的分布。經(jīng)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生深刻理解霍爾效應(yīng)測磁場的原理及磁場的性質(zhì)，并可作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開出，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng)；設(shè)計(jì)方法；原理性質(zhì)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）16-0254-02

在實(shí)際應(yīng)用中，伴隨霍爾效應(yīng)經(jīng)常存在其他效應(yīng)。例如實(shí)際中載流子遷移速率u服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣使得一側(cè)告訴載流子較多，相當(dāng)于溫度較高，而另一側(cè)低速載流子較多，相當(dāng)于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現(xiàn)象稱為愛延豪森效應(yīng)。這種效應(yīng)建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應(yīng)來不及建立，可以減小測量誤差。

一、改進(jìn)方案

1.儀器的選取?，F(xiàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中霍爾效應(yīng)測磁場所用儀器為螺線管磁場實(shí)驗(yàn)儀與霍爾效應(yīng)測試儀，這兩種儀器均為集成化程度較高的儀器，大大限制了學(xué)生開發(fā)思維和自制裝置測磁場的能力。我們選取的磁場源為一對條形磁鐵；霍爾元件是一霍爾片（其霍爾系數(shù)和最大限制電流已知）；毫伏表一只，用來測量霍爾電壓；毫安表一只，用來測量霍爾電流；開關(guān)兩只，可控制總電路和霍爾片工作電路；穩(wěn)壓電源一只，用來提供霍爾片工作電流；電阻一只，作為限流電阻；為了將霍爾片固定，采用空心圓柱體（如筆芯等），利用膠水等粘性物質(zhì)將霍爾片固定于其底部；量角器一只，用來指示霍爾片法線方向；帶有坐標(biāo)的膠片一張，用來確定所測點(diǎn)的坐標(biāo)；有機(jī)玻璃一塊，與膠片固定在一起，作為輔助器件；導(dǎo)線若干，用來連接電路；乳膠，用來固定條形磁鐵和霍爾片。

2.實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理仍為霍爾效應(yīng)測磁場原理，測量三維空間的磁場分布是測量二維空間磁場分布的擴(kuò)展，在這里，我們以測量二維空間磁場分布為例來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置。由所選器件進(jìn)行設(shè)計(jì)裝置線路的具體思路為：所測對象為一對條形磁鐵周圍產(chǎn)生的磁場，條形磁鐵需要固定，這里用一塊有機(jī)玻璃作為支撐物，用乳膠將條形磁鐵將其固定；為了測霍爾電壓和電流，需要將霍爾片的兩對邊焊接上導(dǎo)線，由于霍爾片較小，在實(shí)驗(yàn)時為了獲得可靠的數(shù)據(jù)，不能用手直接接觸，所以需將其用乳膠固定于一空心圓柱體（如筆芯等）下端，并使其法線方向在水平面內(nèi)；霍爾片的工作電流由穩(wěn)壓電源提供，其電流值由毫安表指示，霍爾電壓由毫伏表指示。為了保護(hù)電路，用一只電阻作為限流電阻，一只單刀開關(guān)用來接通和切斷電路。因?yàn)槟滁c(diǎn)的磁場具有方向，所以為了指示該方向，將一張帶有坐標(biāo)的膠片附于玻璃板之上，用一挖去中心的量角器指示霍爾片的法線方向，擴(kuò)展到測量三維空間的磁場分布。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的效應(yīng)

霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要?；魻柊l(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場（B）中的導(dǎo)體（d）施加一個電壓（Iv），該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓（UH），人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路，本來大家是均勻的分布在路面上，往前移動.當(dāng)有磁場時，大家可能會被推到靠路的右邊行走.故路（導(dǎo)體）的兩側(cè)，就會產(chǎn)生電壓差.這個就叫“霍爾效應(yīng)”。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運(yùn)動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。例如汽車點(diǎn)火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器，用作點(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無磨損免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點(diǎn)火正時，能夠較大幅度地提高發(fā)動機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢。

三、方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.實(shí)驗(yàn)方案。對于現(xiàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的霍爾效應(yīng)測磁場項(xiàng)目，所用裝置中的霍爾片只能沿螺線管中軸線移動，且霍爾片法線方向只能保持水平而不能轉(zhuǎn)動，所以只能測出螺線管中軸線上的磁場分布，本實(shí)驗(yàn)所測對象為一對條形磁鐵在二維空間（水平面內(nèi)）的磁場分布。設(shè)計(jì)的具體方案為：將霍爾片放置于所測磁場中的任意位置，令其轉(zhuǎn)動一周，觀察測得霍爾電壓的大小及霍爾片法線的方向，當(dāng)霍爾電壓最大時對應(yīng)的磁感強(qiáng)度值即為該點(diǎn)的磁場大小，此時霍爾片的法線方向即為該點(diǎn)磁場的方向，從而可將所測點(diǎn)的磁場確定下來。

2.實(shí)驗(yàn)方法。改變霍爾片的位置，即可確定出二維空間中各點(diǎn)的磁場。此方法可以測量磁場，而無法測量周圍磁場。本實(shí)驗(yàn)方案克服了以上缺點(diǎn)，可以使霍爾片在未知磁場中隨意移動，且霍爾片法線方向可隨意轉(zhuǎn)動，根據(jù)霍爾效應(yīng)測磁場原理，通過將霍爾片法線在空間任一點(diǎn)轉(zhuǎn)動，觀測最大霍爾電壓值及此時霍爾片的法線方向，確定出所測點(diǎn)的磁場大小及方向。因而該實(shí)驗(yàn)可測量空間任一點(diǎn)的磁場。本實(shí)驗(yàn)方案著重對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中霍爾效應(yīng)測量磁場實(shí)驗(yàn)的方法改進(jìn)應(yīng)測量磁場實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，但對消除一些實(shí)驗(yàn)附加效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度等考慮不多。如果想消除附加效應(yīng)，同樣可以通過改變霍爾電流和磁場方向來消除，利用精度比較高的電表來提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。

四、結(jié)束語

本文提供了一種利用霍爾效應(yīng)測量二維空間磁場分布的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而可擴(kuò)展到測量三維空間的磁場分布。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可深刻理解大學(xué)物理課程中所學(xué)磁場的性質(zhì)，而且可在學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)利用霍爾效應(yīng)測量螺線管軸線上的磁場項(xiàng)目基礎(chǔ)上，開闊思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。因此，該實(shí)驗(yàn)可作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中開出。endprint