對霍爾效應測量磁場實驗的方法改進

謝曉虎

摘要：霍爾效應在應用技術中特別重要，針對大學物理實驗中“霍爾效應法測量磁場”項目只能測長直螺線管軸線上的磁場分布的不足，并提出一種改進方法，測量任一未知磁場在二維空間中的分布，進而可擴展到測量三維空間磁場的分布。經改進后的實驗可使學生深刻理解霍爾效應測磁場的原理及磁場的性質，并可作為設計性實驗項目在大學物理實驗課中開出，培養學生的創新意識。

關鍵詞：霍爾效應；設計方法；原理性質

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

在實際應用中，伴隨霍爾效應經常存在其他效應。例如實際中載流子遷移速率u服從統計分布規律，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，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。這樣使得一側告訴載流子較多，相當于溫度較高，而另一側低速載流子較多，相當于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現象稱為愛延豪森效應。這種效應建立需要一定時間，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來不及建立，可以減小測量誤差。

一、改進方案

1.儀器的選取。現在大學物理實驗中霍爾效應測磁場所用儀器為螺線管磁場實驗儀與霍爾效應測試儀，這兩種儀器均為集成化程度較高的儀器，大大限制了學生開發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；開關兩只，可控制總電路和霍爾片工作電路；穩壓電源一只，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；帶有坐標的膠片一張，用來確定所測點的坐標；有機玻璃一塊，與膠片固定在一起，作為輔助器件；導線若干，用來連接電路；乳膠，用來固定條形磁鐵和霍爾片。

2.實驗裝置設計。本實驗所依據的原理仍為霍爾效應測磁場原理，測量三維空間的磁場分布是測量二維空間磁場分布的擴展，在這里，我們以測量二維空間磁場分布為例來設計實驗裝置。由所選器件進行設計裝置線路的具體思路為：所測對象為一對條形磁鐵周圍產生的磁場，條形磁鐵需要固定，這里用一塊有機玻璃作為支撐物，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線，由于霍爾片較小，在實驗時為了獲得可靠的數據，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；霍爾片的工作電流由穩壓電源提供，其電流值由毫安表指示，霍爾電壓由毫伏表指示。為了保護電路，用一只電阻作為限流電阻，一只單刀開關用來接通和切斷電路。因為某點的磁場具有方向，所以為了指示該方向，將一張帶有坐標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，擴展到測量三維空間的磁場分布。

二、實驗結果的效應

霍爾效應在應用技術中特別重要。霍爾發現，如果對位于磁場（B）中的導體（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生另一個電壓（UH），人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產生這種現象被稱為霍爾效應。好比一條路，本來大家是均勻的分布在路面上，往前移動.當有磁場時，大家可能會被推到靠路的右邊行走.故路（導體）的兩側，就會產生電壓差.這個就叫“霍爾效應”。根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉變為數字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關的功能。例如汽車點火系統，設計者將霍爾傳感器放在分電器內取代機械斷電器，用作點火脈沖發生器。這種霍爾式點火脈沖發生器隨著轉速變化的磁場在帶電的半導體層內產生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發生器無磨損免維護，能夠適應惡劣的工作環境，還能精確地控制點火正時，能夠較大幅度地提高發動機的性能，具有明顯的優勢。

三、方案優缺點分析

1.實驗方案。對于現在大學物理實驗中的霍爾效應測磁場項目，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動，所以只能測出螺線管中軸線上的磁場分布，本實驗所測對象為一對條形磁鐵在二維空間（水平面內）的磁場分布。設計的具體方案為：將霍爾片放置于所測磁場中的任意位置，令其轉動一周，觀察測得霍爾電壓的大小及霍爾片法線的方向，當霍爾電壓最大時對應的磁感強度值即為該點的磁場大小，此時霍爾片的法線方向即為該點磁場的方向，從而可將所測點的磁場確定下來。

2.實驗方法。改變霍爾片的位置，即可確定出二維空間中各點的磁場。此方法可以測量磁場，而無法測量周圍磁場。本實驗方案克服了以上缺點，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動，根據霍爾效應測磁場原理，通過將霍爾片法線在空間任一點轉動，觀測最大霍爾電壓值及此時霍爾片的法線方向，確定出所測點的磁場大小及方向。因而該實驗可測量空間任一點的磁場。本實驗方案著重對大學物理實驗中霍爾效應測量磁場實驗的方法改進應測量磁場實驗方法的改進，著重培養學生的創新思維，但對消除一些實驗附加效應、實驗數據精度等考慮不多。如果想消除附加效應，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驗數據精度。

四、結束語

本文提供了一種利用霍爾效應測量二維空間磁場分布的實驗方案，進而可擴展到測量三維空間的磁場分布。通過該實驗，學生不僅可深刻理解大學物理課程中所學磁場的性質，而且可在學習大學物理實驗利用霍爾效應測量螺線管軸線上的磁場項目基礎上，開闊思路，培養創新能力。因此，該實驗可作為設計性實驗項目在大學物理實驗課中開出。endprint