對霍爾效應測量磁場實驗的方法改進

程翊

【摘 要】文本以大學物理實驗中有關“霍爾效應測量磁場”中只能測長直螺線管軸線上的磁場分布不足情況，提出相應的改進方法。這種可以對任一未知磁場在二維空間的分布進行測量，在此基礎上拓展到測量三維空間磁場的分布。利用改進之后的方法進行物理實驗，學生對霍爾效應的認識會更加深刻，對其原理以及磁場的性質會有更好的認知，還能夠培養學生的創意思維和實踐操作能力。

【關鍵詞】霍爾效應；測量磁場；實驗；方法；改進

0 引言

霍爾效應在實際的應用中，還會出現一些其他效應，比如載流子遷移速率u服從統計分布規律，小于霍爾電場作用力的洛倫茲力會作用于速度校的載流子，使其向霍爾電場作用力方向偏轉，速度大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。這樣一來，一側高速載流子會增加，相當于溫度較高，相對一側的低速載流子增多，也就是溫度較低。這就是作為的溫差電動勢VE，也被稱之為愛延豪森效應。想要建立這種效應，需要花費一定的時間，并且在直流電測量的時候，會給霍爾電壓測量帶來一定誤差，如果采用交流電，則可以減少測量誤差。

1 霍爾效應測量磁場的基本原理

霍爾效應是磁電效應的一種，當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這個電勢差就被叫做霍爾電勢差.導體中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓.正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數.平行電場和電流強度之比就是電阻率.因此，對于一個已知霍爾系數的導體，通過一個已知方向、大小的電流，同時測出該導體兩側的霍爾電勢差的方向與大小，就可以得出該導體所處磁場的方向和大小。

2 霍爾效應測量磁場實驗的方法改進分析

2.1 改進方案

2.1.1 儀器的選取

目前，我國普遍大學在物理實驗的過程中，在霍爾效應環境下對磁場測量的過程下，主要運用的儀器就是螺線管磁場實驗儀和霍爾效應測試儀，這兩種儀器都是集成化速度比較高的儀器，這樣就會在一定程度上對學生的思維開發和支柱裝置側磁場的能力造成了嚴重的限制和約束。所以，在對磁場源進行選擇的過程中，需要保證是一條形的磁鐵，在實際的測量的過程中還包括霍爾云片和毫伏表以及穩定電源等等。

2.1.2 實驗裝置設計

本這個實驗主要依據的原理，依舊是國內比較傳統的霍爾效應側磁場原理，在對三維空間的磁場分布進行測量的重要目標，就是對二維空間磁場的分布進行嚴格的測量，這個測量的過程中，就需要對二維空間磁場的分布進行測量，從而對實驗裝置進行合理的設計。在對裝置線路進行設計的過程中，最主要的思路就是需要將一對條形磁鐵周圍產生的磁場環境作為重要測量對象，還需要嚴格的保證條形磁鐵的固定程度，并且還要采用一塊有機玻璃作為穩定的支撐物，最后走運用乳膠對條形的磁鐵進行固定。另外，在對霍爾電壓和電流進行測量的過程中，就需要將霍爾片的兩個對邊進行焊接，并且將導線進行焊接。但是因為霍爾片自身比較小，還需要保證在實驗的過程中能夠獲取比較準確的數據，就需要在測量的過程中要保證不能用手直接進行接觸，這就需要采用乳膠，對一個空心的圓珠筆下端進行固定，還需要使其中的發現方向保持在水平面之內。在霍爾片工作的過程中，需要提供一個比較穩定的電流和電源，為了能夠對電路進行全方面的保護，就需要采用一只電阻對其他電阻進行嚴格的限制，還需要利用單只刀的開關，將電路進行接通和切斷。除此之外，在特定的環境下測長就會具有方向，為了保證能夠指向不該指向的方向，就需要運用一張帶有坐標的膠片，粘附在玻璃板的上面，這樣不僅可以挖去中心的量角器，從而指向霍爾片的法線方向，還可以有效的對三維空間的磁場分布測量進行擴展。

2.2 實驗結果的效應

在應用各種技術的過程中，最重要的就是霍爾效。但是，在實際測量的過程中，霍爾發現，如果在磁場中的主體地方施加一個電壓，就會促使磁場的方向垂直在電壓施加的方向，人們將這種電壓稱之為霍爾電壓，而其中出現的現象就是霍爾效應。依據霍爾效應原理背景下，做成的霍爾器件，主要是將磁場作為工作過程中的媒體，并且將物體中運動的參數進行轉變，從而轉化為數字電壓的形式而輸出，最終使磁場自身具備傳感和開關的功能。例如，汽車的點火系統，就需要設計者將霍爾傳感器放在分電器之間，從而可以有效取代機械斷電器。在這種情況下，就會促使霍爾式點火脈沖發生器，會跟隨轉速變化的磁場，在半導體層中產生脈沖電壓，最終對電控電源的初級電流進行嚴格的控制。但是，站在機械斷電器的角度來看，就可以對霍爾式點火脈沖的發生器進行全方面的維護，可以適應各種惡劣的工作環境，這樣不僅可以對點火的時候進行準確的控制，還可以有效的提高發動機自身的性能。

2.3 方案優缺點分析

2.3.1 實驗方案

對于現階段大學物理實驗過程中，運用的霍爾效應磁場測試項目的過程中來說，裝置中采用的霍爾片，只能夠在螺絲管中的軸線上移動，法線的防線也能夠保持方向的水平，這也就只能夠對螺線管中的磁場分布進行測量，這個實驗的過程中主要以一對條形磁鐵在二維空間的磁場分布為對主要測量對象。而對于設計的方案來說，需要將霍爾片放在測量磁場中的任意位置，保證可以轉動一周，對霍爾電壓的大小和霍爾片法線的方向進行嚴格的觀察和測量，這個階段中，就可以將霍爾片的法線方向設定為這個磁場中的主要方向，從而有效保證測量的磁場都可以確定下來。

2.3.2 實驗方法

將霍爾片的位置進行改變，就可以將二維空間中的磁場進行有效的確定。這種方法可以對磁場自身進行測量，但是不能夠對磁場周圍的環境進行測量。但是這個實驗方案，可以解決上文實驗過程中的問題，可以采用霍爾片在磁場中自由的移動，并且霍爾片的發現方向也可以隨意轉動，這樣不僅可以將最大的電壓值和霍爾片的法線方向進行嚴格的觀察和測量，還可以對測量的磁場大小和方向進行有效的確定。由此看來，這個實驗方案，可以對磁場中的任何環境和地點進行測量。另外，這個實驗方案還可以對大學物理實驗過程中的霍爾效應的測量方法進行重點關注，從而對測量磁場的實驗方法進行全方面的改進和完善，要重點對學生的創新思維進行培養。

3 結束語

本文首先對大學物理實驗中的霍爾效應測量原理進行了闡述，繼而提出了可以利用霍爾效應測量二維空間磁場分布的方案，實現了向三維空間磁場分布的測量。通過本次實驗，能夠幫助大學生更好的理解和掌握物理課程中的磁場性質，并可以將利用霍爾效應對螺線管軸線上的磁場項目進行測量，不僅拓展了學生為，而且還能夠激發學生創新意識，提升學生創新能力，對學生未來學習非常有幫助。

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