探究霍爾電壓的自制實驗儀及其使用

胡惠琪 劉健智

（湖南師范大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410081）

“傳感器及其工作原理”是一節物理規律實驗課.《普通高中物理課程標準（2017年版）》對該節課的內容要求是：“知道非電學量轉換成電學量的技術意義”“通過實驗，了解常見傳感器的工作原理”“例：通過熱敏電阻實驗，了解溫度傳感器的工作原理”.［1］人教版高中物理選修3-2教材“傳感器及其工作原理”一節［2］基本上落實了上述要求，但關于霍爾元件的實驗探究，教材中的方案仍有許多不足.在對教材和知網上其他實驗方案進行分析后，我們設計并自制了探究霍爾電壓實驗儀.

1 教材和已有實驗的不足

1.1 人教版教材中的不足

人教版物理選修3-2“傳感器及其工作原理”一節介紹了三種敏感元件：光敏電阻、熱敏電阻和霍爾元件.關于前兩種敏感元件，教材專門設置了“實驗”，探究其工作原理，但關于霍爾元件，教材只設置了“做一做”，意圖讓學生自己動手探究霍爾電壓.由于霍爾元件體積微小、磁靈敏距離短等緣故，導致關于霍爾元件的實驗難以操作.再加上霍爾元件有多個引腳，與普通的兩個引腳的電阻不同，學生對其比較陌生，給實驗增加了難度.查閱知網上關于本節內容的教學設計后知大多數高中物理教師都沒有開展探究霍爾電壓的實驗.這也許是因為課標中沒有明確要求要通過實驗探究霍爾元件的工作原理所導致的.但是，關于霍爾元件的探究學習，不僅出現在選修3-2中，選修3-1還專門設立一個課題進行研究，其中也要求探究并推導霍爾電壓與磁感應強度與其他物理量的關系.［3］可見，關于霍爾元件的探究學習，是能培養學生科學探究能力的有利內容.

再者，在教材“做一做”中，保持通過霍爾元件的電流恒定，改變磁體與元件工作面的距離與夾角，觀察霍爾電壓的變化，如圖1所示.這在理論上是可行的，但存在以下3點不足：① 沒有明確指出所需霍爾元件的型號，只是簡單說“取圖中所示的霍爾元件”，而圖中有兩種型號不一致的霍爾元件.霍爾元件型號眾多，不同型號之間霍爾電壓的差別較大，可能導致霍爾電壓大小超過200 m V的多用電表量程；② 只對霍爾電壓與磁感應強度之間的關系進行探究，未提及霍爾電壓與電流之間關系的探究；③ 通過改變磁感線與霍爾元件工作面的夾角探究霍爾電壓與磁感應強度的關系過于理想化.現實中，霍爾元件的工作面不一定平行或垂直于其外殼表面，并且磁感線也是一種理想化的模型，其分布與磁體的形狀有關，因此在改變夾角時，無法斷定此時磁感應強度的變化情況.

圖1 教材中探究霍爾電壓的實驗原理

1.2 現有改進實驗的不足

針對霍爾電壓的探究性教學，知網上有一些文章給出了改進后的實驗儀器與方案.

例如周亞文的利用DIS探究霍爾效應裝置，如圖2所示.［3］該實驗將霍爾元件與電阻箱、干電池串聯，再將微電流傳感器與霍爾元件的霍爾電壓輸出端串聯，用霍爾電流的大小間接反映霍爾電壓的大小.另外，將磁場傳感器的探頭和霍爾元件捆綁在一起，用以探測霍爾元件工作面處的磁感應強度大小.這套實驗裝置的亮點在于采用了DIS技術，使得磁感應強度可視化、數字化，但仍存在以下不足：① 霍爾元件用半導體材料制成，內部結構復雜，歐姆定律對其不適用，因此，用霍爾電流的大小間接反映霍爾電壓的大小缺乏理論依據；② 磁場傳感器的原理為霍爾效應，利用霍爾效應探究霍爾效應，不符合科學認知的規律；③ 磁場傳感器探頭的體積比霍爾元件的體積大得多，磁場傳感器顯示的磁感應強度大小并不一定是霍爾元件工作面處的真實大小；④ 工作電流無法測量，不能探究霍爾電壓與工作電流的關系，探究的全面性有待提高.

圖2 利用DIS探究霍爾效應的實驗原理

例如王志斌等的自制教具，如圖3所示.［4］該裝置將霍爾元件與電位器、干電池、毫安表串聯，形成工作電流調節與測量電路，再將毫伏表與霍爾元件的電壓輸出端連接，形成霍爾電壓測量電路.另外，用勵磁線圈與可調可讀電源代替永磁體，通過調節勵磁電流大小間接調節磁感應強度大小，形成勵磁電流控制電路，這也是這套自制教具的亮點.雖然，這套裝置能較完整地探究霍爾電壓與磁感應強度、工作電流的關系，但教學難度過大.根據畢奧-薩伐爾定律，線圈產生的磁感應強度與勵磁電流的大小成正比，因此，以勵磁電流的大小間接代表磁感應強度的大小是有理論依據的，但高二學生對其原理不甚了解，再加上學生原本對霍爾效應比較陌生，這在某種程度上增加了實驗的理解難度，容易觸發學生的畏難情緒.

圖3 自制教具探究霍爾效應的實驗原理圖與實物圖

1.3 在現有實驗基礎上的改進

為了使探究霍爾電壓的實驗具有更強的可操作性和更大的教學意義，筆者結合現有實驗各自的優點，自制了一款探究霍爾電壓的實驗儀.該實驗儀器在2019年的第十一屆“格致杯”全國物理師范生教學技能交流展示活動中獲得教具創新二等獎，利用該實驗儀器進行的“傳感器及其工作原理”說課與片斷教學比賽獲得一等獎.

2 自制實驗儀器的介紹

2.1 自制實驗儀的原理

根據霍爾效應，當有電流穿過時，霍爾元件中的載流子會運動，如圖4所示.若垂直于電流方向有磁場，電子會因受到洛倫茲力而發生偏轉，在元件的一側聚集，形成低電勢，而相對的另一側則形成高電勢.兩側之間的電勢差大小為霍爾電壓.若要探究霍爾電壓與工作電流的關系，應在電路中串聯阻值合適的滑動變阻器使得工作電流可以在一定范圍內連續變化.若要探究霍爾電壓與磁感應強度的關系，則需要能表征磁感應強度變化的工具，如上文王志斌等的自制教具中，利用勵磁電流表征磁感應強度的變化.為了降低實驗的理解和操作難度，筆者用條形磁鐵到霍爾元件工作面的距離表征磁感應強度的變化.此外，霍爾元件的工作電流輸入端還需要與選擇了200 m V電流擋的多用電表串聯，霍爾電壓輸出端與選擇了200 m V電壓擋的多用電表并聯.實驗原理如圖5所示.

圖4 霍爾效應原理圖

圖5 自制實驗儀原理圖

2.2 自制實驗儀的選材

自制探究霍爾電壓實驗儀的關鍵是選擇型號合適的霍爾元件.由于霍爾元件體積微小，不便接入電路，也不便于學生觀察實驗操作過程，故實驗輔助材料和展示平臺的選擇也至關重要.

（1）霍爾元件的選擇.

市面上的霍爾元件多為三引腳，這并不利于學生構建霍爾元件的模型.根據霍爾效應，霍爾元件應該具有工作電流出入端和霍爾電壓出入端，共四個引腳.因此，本實驗應采用四引腳霍爾元件.再者，霍爾元件輸出電壓的大小會因其型號的不同而存在差異，且多為毫伏級別，但多用電表只有200 m V的電壓擋，所以，本次實驗選擇型號為HW302A-HW302D的霍爾元件.

（2）輔助材料的選擇.

由于霍爾元件體積微小，約2 mm3，且引腳十分短，會造成接線困難.因此，本實驗利用金屬導線絲纏繞霍爾電壓輸出端的兩個引腳，并把金屬導線絲的另一端繞成小線圈方便其與電壓表筆相連接.元件的電流輸入輸出端用鱷魚線夾入電路.另外，為了固定元件，使得磁感線垂直穿過元件，還需將纏繞了金屬絲的兩引腳彎曲90°，并插入一塊橡皮擦中，使得元件中心高度與磁鐵中心高度一致.最后，將橡皮擦固定在刻度尺上，并令霍爾元件恰好位于某刻度線處，如圖6所示.

圖6 霍爾元件的處理方式

（3）展示平臺的選擇.

由于霍爾元件體積微小，磁靈敏距離短，約10 mm，實驗的可視度不高.為了讓學生認識真實的霍爾元件，看清楚實驗操作以及數據變化.我們利用Apower Mirror電腦投屏軟件，將實驗畫面投影到大屏幕上，如圖7所示.

圖7 Apower Mirror電腦投屏場景

整套實驗儀共需要以下器材：HW-302B霍爾元件、200Ω滑動變阻器、多用電表兩臺、刻度尺、條形磁鐵、橡皮擦、干電池、金屬導線絲、導線若干（帶鱷魚夾）、智能手機（安裝Apower Mirror投屏軟件）、手機支架.此外，還需要周圍無其他強磁場的實驗環境.

2.3 自制實驗儀的制作

（1）霍爾電壓測量電路.

首先將型號為HW-302B的四引腳霍爾元件的兩個霍爾電壓輸出端（引腳“1”“3”）彎折90°（如圖8所示），再準備兩段細金屬導線絲，分別將其一端纏繞在兩個霍爾電壓輸出端引腳上（注意兩段金屬導線絲不能接觸），并將纏繞好導線絲的霍爾電壓輸出端引腳插入橡皮擦中，固定霍爾元件的位置，使得霍爾電壓工作面基本對準并平行于條形磁鐵N極的中心位置.然后，用膠布把橡皮擦纏繞在直尺的一端，使得霍爾元件的工作面恰好在某一條刻度線上.最后，將兩段金屬導線絲的另一端纏繞在多用電表的紅黑表筆上（如圖6所示）.由于該型號的霍爾元件的霍爾電壓最大值約為236 m V，因此，將多用電表擋位調至200 m V擋，從而組成霍爾電壓測量電路.

圖8 霍爾元件結構圖

（2）工作電流調節與測量電路.

用鱷魚夾導線，將5號電池（1.5 V）的正極與霍爾元件的工作電流輸入端（引腳“2”）串聯，將霍爾元件的工作電流輸出端（引腳“4”）與滑動變阻器（200Ω，1.25 A）的下端接線柱串聯，然后將另一多用電表的紅表筆固定在滑動變阻器另一端的上端接線柱處，最后將黑表筆與5號電池的負極相連.由于該型號霍爾元件的工作電流最大值約為20 m A，因此，將用以測量工作電流大小的多用電表擋位調為200 m A電流擋，從而組成工作電流調節與測量電路，如圖9所示.

圖9 自制實驗儀實物圖

（3）實驗展示平臺的搭建.

在智能手機和電腦里下載Apower Mirror投屏軟件，再用數據傳輸線連接電腦和手機，打開軟件，開始投屏.利用手機支架固定手機，使其攝像頭對準實驗儀器.此時，實驗畫面就會呈現在電腦里，達到放大實驗畫面的效果，如圖7所示.

2.4 自制實驗儀的使用

（1）實驗準備.

根據控制變量法，設計實驗方案，探究影響霍爾電壓大小的因素.按照電路圖連接各個器件，打開兩個多用電表，并調至合適的擋位.打開Apower Mirror電腦投屏軟件，調整好攝像頭.

（2）實驗過程.

（a）探究磁感應強度是否影響霍爾電壓的大小.

① 分別將磁鐵放置于霍爾元件前方10 mm、8 mm、6 mm、4 mm、2 mm 處；

② 微調滑動變阻器滑片位置，使得電路中電流值不變；

③ 讀取穩定狀態下霍爾電壓大小，記錄數據；

④ 依次減小磁鐵與元件之間的距離，重復實驗，分析實驗數據.

（b）探究工作電流是否影響霍爾電壓的大小.

①將磁鐵固定在霍爾元件前方5 mm處；

② 移動滑動變阻器，改變電流值大小；

③讀取穩定狀態下的電流和霍爾電壓大小，記錄數據；

④ 重復實驗，分析實驗數據.

（c）探究元件材料是否影響霍爾電壓的大小.

①將磁鐵固定在霍爾元件前方5 mm處，固定滑動變阻器的滑片；

②將銻化銦霍爾元件接入電路；

③記錄穩定狀態下的霍爾電壓大小；

④將砷化銦霍爾元件接入電路；

⑤微調滑動變阻器滑片位置，使得電流與上一組實驗相等；

⑥記錄穩定狀態下的霍爾電壓大小；

⑦ 重復實驗，分析實驗數據.

2.5 自制實驗儀的使用效果

該實驗操作簡單方便，而且實驗數據穩定，可重復性好.可以輕松得出霍爾電壓與電流、磁感應強度呈正相關的實驗結論，還能用以探究材料對霍爾電壓的影響，即探究不同材料的霍爾系數的大小關系，達到了“一體多用”的效果.部分實驗數據如表1和表2所示.

表1 探究I是否影響U H 大小的實驗數據

表2 探究B是否影響U H 大小的實驗數據

3 自制實驗儀的優點與教學價值

3.1 自制實驗儀的優點

該自制的探究霍爾電壓實驗儀，在教材和現有實驗設計的基礎上進行改進，完善了實驗方案.

（1）材料易得，組裝很簡捷.

所需器材，如多用電表、金屬導線絲、刻度尺等，均為實驗室常用的儀器，十分易得.另外，與王志斌等的自制教具［4］對比，該自制實驗儀用刻度尺量得的磁鐵到元件的距離表示磁感應強度的大小，比用勵磁電流的大小表示勵磁線圈產生的磁感應強度大小更加直觀，便于理解，且器材的組裝更簡便.再者，該自制實驗儀用金屬導線絲纏繞元件引腳將元件接入電路，解決了由于霍爾元件體積微小、引腳短帶來的不便.這種加工處理霍爾元件的方式，比焊接法（將元件引腳焊接在線路板上）更加方便簡捷，更加安全.［5］

（2）操作簡單，可視程度高.

探究霍爾電壓與工作電流的關系時，只需移動滑動變阻器的滑片即可改變工作電流；探究霍爾電壓與磁感應強度的關系時，只需在直尺上移動條形磁鐵即可.并且，采用投屏軟件將實驗畫面放大，學生能清楚地看到霍爾元件的結構、電路結構以及操作過程.

（3）效果明顯，可重復性強.

通過反復的實驗，發現這套實驗儀的實驗數據穩定，實驗數據能明顯地體現出霍爾電壓與工作電流成正比、與磁感應強度也成正比的實驗結論，是一套有效探究影響霍爾電壓因素的實驗儀器.

3.2 自制實驗儀的教學價值

通過實驗探究學習物理概念、規律或定律，不僅能培養學生模型構建、科學推理、科學論證等科學思維，提高學生的方案設計、歸納總結等科學探究能力，還能深化學生對物理知識的理解.因此，探究式教學遠比灌輸式教學效率高.

（1）手腦并用，深化知識理解.

由于該自制實驗儀的組裝十分簡捷，因此可以讓學生根據霍爾效應區分霍爾元件的四個引腳；選擇兩個霍爾電壓輸出端引腳進行彎折，纏繞金屬絲，與電壓表筆相連形成霍爾電壓測量電路.由此，可以加深學生對霍爾效應以及霍爾元件的工作機理的理解.再者，讓學生動手組裝實驗電路，有助于學生對實驗原理和非電學量轉換成電學量的技術意義的理解，從而更好地達成課程標準中對該節的內容要求.

（2）設計方案，提高探究能力.

在組裝該實驗儀前，讓學生猜想影響霍爾電壓大小的因素，再根據猜想進行實驗電路的設計和組裝電路.接著，根據控制變量法的思想，設計實驗方案，動手操作，記錄數據.最后，分析數據、歸納總結.在利用該自制實驗儀進行的探究活動中，學生主動思考，尋找解決問題的方案，并動手實驗，得出結論，切實地培養了其科學探究能力.

4 結語

“霍爾元件及其工作原理”是較抽象的知識，且其實驗操作難，可見性弱，需要通過實驗創新，來增強可見性和可操作性，促進學生的理解.［6］為了提升學生物理學科核心素養，可以采用探究教學法突破該教學難點.學生在光敏和熱敏電阻的學習中，已獲得了探究敏感元件的經驗，初步理解了非電學量轉換成電學量的過程機理，因此，通過知識的遷移，學生可以自主設計實驗，自制儀器，探究影響霍爾電壓大小的因素.

根據教材中霍爾元件的相關內容，研究了知網上相關改進的實驗后，設計并自制了探究霍爾電壓實驗儀.該實驗儀具有組裝簡捷、操作簡單、效果明顯等優點，通過自主探究式學習，學生可以進一步理解各類傳感器的工作原理：通過敏感元件將非電學量轉換為電學量.學生在設計實驗方案、組裝實驗儀器和簡單的實驗操作中，切實訓練了科學思維，提高了科學探究能力，同時養成了良好的科學態度.