自制霍爾效應演示儀

阮長久,樓松年,陳一安

(金華第一中學,浙江金華321015)

1 引 言

在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導體,當磁場方向與電流方向垂直時,導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現電勢差,該電勢差稱為霍爾電勢差或霍爾電壓,霍爾電壓與電流、磁感應強度都有關系.為了通過研究手段得到霍爾電壓與電壓、磁感應強度的關系,自制了電流、磁感應強度對霍爾電壓影響演示儀,經多次使用,教學效果較好.

2 裝置結構

圖1為實驗裝置的圖片,中間為自制的示教板.板的中心,即為霍爾元件(見右上角的小圈內),它與課本照片所展示的是一致的.圖2為該演示儀的電路示意圖.

圖1 霍爾效應演示儀實物圖

圖2 霍爾效應演示儀電路示意圖

3 制作原理

由電流經過霍爾元件時,若霍爾元件所在區域有磁場,則產生很小的霍爾電壓,由于一般用J0401大型表指示霍爾電壓,而該電表沒有毫伏擋,無法直接驅動,為了方便,制作時霍爾電壓是經TDA 2030音頻功放電路放大后再接電壓表或小電機,電壓表的讀數越大或小電機的轉速越快,則霍爾電壓越大.電壓放大電路圖見圖3.

3.1 制作電路說明

由于所采用的霍爾元件的4只腳都在同一塊半導體上生成,之間并無電氣隔離,霍爾元件的供電電路和輸出電壓的放大電路須采用2組獨立電源.霍爾元件的供電電路見圖3虛線右側,它采用高中學生電源穩壓6 V供電,利用二極管導通時的正向壓降分壓,它由電阻R7和4個二極管串聯組成,其上端的穩壓值約為2.8 V,下端的穩壓值約為2.1 V,兩端電壓通過 R6限流和 K2的選擇,加到霍爾元件的電流端,流經霍爾元件的電流分別約10 m A和7 m A,切換 K2可演示在磁場強度不變的情況下,霍爾電壓和流經霍爾元件電流成正相關(所加的磁場強度較小時效果明顯,可能是磁場強度增大到一定程度后,霍爾電壓和流經霍爾元件電流之間的關系已脫離線性區).

圖3 電壓放大電路圖

3.2 放大器原理說明

放大器須采用正負雙電源供電,考慮到課堂上使用正負2組電源不方便,這里仍采用單電源,取自高中學生電源穩壓8 V,利用 IC1將之分割成正負電源,當 R1=R2時,IC1第4腳輸出電壓為IC1電源電壓的1/2,并將之定為本電路的“地”電位.IC2為放大倍數為5的放大器(放大倍數 F=1+R3/R4),用以放大毫伏級的霍爾電壓.可調節的 R3或 R4值改變放大倍數.

4 使用方法

演示時,打開2組電源,可見左側的電流表(10 m A擋)指示出流過霍爾元件的電流 I,而右側的電壓表(10 V擋,指針居中)未有變化.用磁鐵靠近霍爾元件,電壓表將會向一個方向偏轉,合上電機開關,小電機轉動;改變磁鐵極性,偏轉和轉動都將反向;拉開磁鐵與霍爾元件之間的距離或增大磁鐵與霍爾元件之間的夾角,偏轉角度和轉動速度都會減小.具體操作過程如下:

4.1 演示霍爾電壓與通電電流的定性關系

1)將學生電源、電流表、霍爾電壓演示儀等連接起來,改變進入霍爾元件的電流,當電流表示數很小時,電壓表示數也很小,如果接上電動機,則電動機轉速慢.

2)調節學生電源并保持磁感應強度不變,當電流表示數增大時,電壓表示數也增大,如果接上電動機,則電動機轉速變加快.

4.2 演示霍爾電壓與磁感應強度的定性關系

1)保持電流和磁場方向不變,磁鐵靠近霍爾元件時,電動機轉速快.

2)保持電流和磁場方向不變,拉開磁鐵與霍爾元件之間的距離,電動機轉速減少.

3)保持電流和磁場方向不變,增大磁鐵與霍爾元件之間的偏轉角,電動機轉速減少.

通過上面的演示可以得出結論:霍爾電壓的大小與電流大小成正相關關系,與磁感應強度亦成正相關關系.