電磁教學中的應用探討

蘇向英

【摘 要】本文探討了電磁理論在生活、科技方面的應用，主要介紹了霍爾效應測車速及電磁加速，包括回旋加速器和電磁軌道炮，可以使學生在學習理論的同時認識到理論是可用的。

【關鍵詞】電磁理論;霍爾效應;電磁加速

電與磁是兩千多年前就已經發現了的自然現象，而且發現磁現象早于電現象。我國還是發現天然磁鐵最早的國家之一。電和磁現象有著廣泛的應用，例如靜電除塵、靜電噴涂、靜電陀螺儀等對電場的應用，古代的“司南勺”、磁控濺射等對磁場的應用。當然，電與磁有著密不可分的聯系，麥克斯韋將電磁統一在一起形成了基本的電磁理論，是經典物理中的一個重要的部分。在普通物理的教學上，我們要讓學生對這部分知識有比較全面的認識。同時這部分理論也是生活、科技等方面應用的基礎，我們也希望學生能夠多加認識和了解。

1.霍爾效應測車速

1.1霍爾效應的原理

著名物理學家霍爾于1879年鄭重宣布了他最新研究的關于磁場和感應電壓之間的關系。如下圖所示，他發現如果給磁場中的導體加以電流時，導體內部的電子與空穴受到垂直于電流方向的磁場的作用，在洛倫茲力的作用下，電子與空穴會往不同的方向運動并分別聚集在導體的上下兩個表面，而這些上下表面的電子與空穴之間就形成了電壓，從而在導體內部形成一個向下的電場，這個電場又對電子和空穴產生電場力，從而抵消掉磁場給它們的洛倫茲力，那么電子與空穴就會源源不斷的通過導體而不發生偏轉，導體的上下表面會形成一個穩定的電勢差，這就是偉大的影響后世數百年的霍爾效應。

1.2霍爾效應測車速

繼霍爾效應被實驗證明以后，科學家們便將霍爾效應充分利用起來。最為重要的一項成果就是將霍爾效應與傳感器技術結合起來，生產出一系列霍爾傳感器。

霍爾傳感器因其功能不同，所以大體上可歸結為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩大類。線型霍爾傳感器一般以模擬信號為主要研究對象;開關型霍爾傳感器一般以數字信號為主要研究對象。除此之外，霍爾傳感器還可以歸結為直接應用和間接應用兩種測量類型。直接應用類不需要載體就能直接測磁場，間接應用則需要借助一些中介載體進行測量，從而將一些既不是電又不是磁的物理信號，像轉速、流量、熱容等轉換為電信號測量。

霍爾傳感器可對汽車行駛的速度進行測量，它先接收信號源發出的電子信號，再將電子信號轉換為脈沖信號，再將脈沖信號經過單片機模塊進行轉速信號處理，最終以汽車車速的數字量信號顯示，這樣就能夠實時地反映汽車車速的變化情況。

如下圖所示，把一塊磁鋼放置在一個大的圓盤上，再將霍爾傳感器放在圓盤一邊，同時給線圈通以電流。一旦有磁場通過，就會產生電壓，只有在沒有磁場時，才不會產生電壓。圓盤轉動時，霍爾傳感器會把檢測到的信號轉化為脈沖信號，這樣就可以測出轉數了。

只要測出n次脈沖電壓發出的總時間T，就能測出角速度

ω=2π（n-1）/T

再根據v=ωR，可以求出T時間內車輪的線速度，R為車輪半徑。

2.電磁加速

2.1回旋加速器

回旋加速器的構造十分簡單，其最重要的組件是由兩個金屬做成的D形狀的盒子，這兩個盒子具有屏蔽的作用。回旋加速器的工作原理是在盒上加上磁場，使電子做圓周運動，在盒上加上交變電流就能在D縫處對電子進行反復加速。

2.2電磁軌道炮

我們知道放在一起的兩根通電導線之間會存在相互作用，即安培力。而且如果兩根導線中的電流是同向的，它們間產生的是相互吸引的作用，如果兩根導線中的電流是反向的，那么它們間產生的將是相互排斥的作用。這也是電磁軌道炮的應用基礎。

目前我們向太空發送物資的方式是燃料式火箭，然而，當我們開發月球和小行星時，因為那里不具備用于常規火箭的燃料源，所以需要更有效的方式。電磁發射裝置可能是個解決方案。它是一種小型樣機，即電磁軌道炮。電磁軌道炮是抵用電磁加速技術發射彈丸的一種電能武器。在發射過程中，強大的電磁力（洛倫茲力）使彈丸以極高的初速度分離炮管口，這種初速度比常規化學推進劑發射的彈丸的初速度要高得多，并且射程也要遠。

如下圖所示，電磁軌道炮由兩根相當炮管長短的固定平行導軌和一個沿導軌軸線方向滑動的電樞組成，彈丸放置在電樞前面的導軌上形成閉合回路。導軌、電容器與旋轉電機構成的脈沖形成網絡相聯結。當發射彈丸時，脈沖形成網絡向一根導軌供電，經過電樞流向另一根導軌。強大的電流流經兩平行導軌，在兩導軌間產生強大的、方向相反的線性磁場，并與電樞形成的第三個磁場相互作用，產生強大的電磁力。電磁力推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿導軌做加速運動來獲得很高的初速度，彈丸將沿導軌向外運動直到從炮口末端發射出去。

3.結束語

電磁理論是自然界的基本理論之一，不僅是自然科學的一部分，也在生活、科技等方面有著重要的應用。本文探討了電磁理論在霍爾效應測車速、電磁加速方面的應用，學生學習在理論知識的同時還能擴大了視野，在提高他們學習興趣的同時也能引發他們的思考。

【參考文獻】

[1]殷蘇民，陸文俊.霍爾式輪速傳感器功能測試系統設計[J].傳感器與微系統，2014，13（06）：11-13

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