霍爾效應的課題研究

陳嘯++羅志芳

摘 要：物理是高中課堂的必修課程之一，為提高該課程的學習效率。本文專門針對高中的物理教學之中的霍爾效應以課題研究的形式進行了研究和探討，在此過程中進行了總結、分析以及策略的提出，希望為促進高中生的物理學習提供積極有價值的案例參考。

關鍵詞：霍爾效應 課題研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：C 文章編號：1672-1578（2017）01-0135-01

1 霍爾效應的定義和起源

當電流垂直于外磁場通過導體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象屬于電磁效應的一種，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，而且，這種效應和傳統(tǒng)的電磁感應完全不同，同時，因為這種現(xiàn)象是在1879年，由美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）發(fā)現(xiàn)的，因此也被成為“霍爾效應”[1]。

2 霍爾效應課題研究的具體內(nèi)容

2.1 霍爾效應的基本原理

在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導體中的電子與電洞受到不同方向的洛倫茲力（運動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力，即磁場對運動電荷的作用力。洛倫茲力的公式為F=QvB。因為是由荷蘭物理學家洛倫茲首先提出了關于運動電荷產(chǎn)生磁場和磁場對運動電荷有作用力的觀點，所以，將這種力為洛倫茲力）而往不同方向上聚集，在聚集起來的電子與電洞之間會產(chǎn)生電場，此一電場將會使后來的電子電洞受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得后來的電子電洞能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。

2.2 霍爾效應傳感器的應用研究

2.2.1霍爾傳感器分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器件和開關型霍爾傳感器兩種。

2.2.2開關型霍爾傳感器的原理及應用

開關型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對稱的施密特整形電路。圖1是單穩(wěn)態(tài)開關集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對于開關型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值[2]。

由圖1看出，當B=0時，V0為高電平；當外磁場增至BOP時，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場由BOP降至BrP時，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點。對于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。

UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測量電路。將具有10個齒的圓盤固定于被測對象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當圓盤齒經(jīng)過測量磁路的間隙時，霍爾元件輸出高電平，其他時間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個脈沖，脈沖經(jīng)過分頻后，用頻率計即可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。

用集成霍爾傳感器還可以組成過流檢測保護電路，該電路如圖2所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動作的起始磁場，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無觸點的過流保護電路。

2.2.3研究分析及策略

開關型霍爾元件最具特點的應用是在無刷電機上。通常的直流電機采用電刷型整流子供電，這種供電機構工作時噪聲大，電機的壽命由于換相器的嚴重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機的上述弊端，而且可以對電機直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機中，采用兩個霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構成電機本體，利用霍爾元件IC1、IC2去開關驅(qū)動晶閘管，從而控制流過電機繞組的電流方向來完成換向；調(diào)速則通過伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來完成。由于采用電子換向，該電機運轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)，幾乎無干擾。

3 結語

霍爾效應目前在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦械膽檬謴V泛，迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關，等等[3]。隨著我國科學技術的不斷進步，對霍爾效應在各種方面的應用研究也日益增多，而且，通過課題研究，不僅有利于學生更好的了解物理，培養(yǎng)學生們學習物理的興趣，也有利于增強學生的動手能力和思考能力，因此，本課題的研究是有一定的理論和現(xiàn)實意義的。

參考文獻：

[1] 王書清.“霍爾效應”課題研究[J].高中數(shù)理化，2011，（8）：27-28.

[2] 朱梁權.量子霍爾效應在高中物理解題中運用[J].數(shù)理化學習（高一二版），2014，（11）：69.

[3] 陳元軍.談霍爾效應及其運用[J].考試周刊，2011，（9）：153.