对霍尔效应测量磁场实验的方法改进
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摘要：霍尔效应在应用技术别重要，针对大学物理实验中“霍尔效应法测量磁场”项目只能测长直螺线管轴线上的磁场分布的不足，并提出一种改进方法，测量任一未知磁场在二维空间中的分布，进而可扩展到测量三维空间磁场的分布。经改进后的实验可使学生深刻理解霍尔效应测磁场的原理及磁场的性质，并可作为设计性实验项目在大学物理实验课中开出，培养学生的创新意识。
关键词：霍尔效应；设计方法；原理性质
中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）16-0254-02
在实际应用中，伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律，速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力，向霍尔电场作用力方向偏转，速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多，相当于温度较高，而另一侧低速载流子较多，相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE，这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间，如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差，如果采用交流电，则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立，可以减小测量误差。
一、改进方案
1.仪器的选取。现在大学物理实验中霍尔效应测磁场所用仪器为螺线管磁场实验仪与霍尔效应测试仪，这两种仪器均为集成化程度较高的仪器，大大限制了学生开发思维和自制装置测磁场的能力。我们选取的磁场源为一对条形磁铁；霍尔元件是一霍尔片（其霍尔系数和最大限制电流已知）；毫伏表一只，用来测量霍尔电压；毫安表一只，用来测量霍尔电流；开关两只，可控制总电路和霍尔片工作电路；稳压电源一只，用来提供霍尔片工作电流；电阻一只，作为限流电阻；为了将霍尔片固定，采用空心圆柱体（如笔芯等），利用胶水等粘性物质将霍尔片固定于其底部；量角器一只，用来指示霍尔片法线方向；带有坐标的胶片一张，用来确定所测点的坐标；有机玻璃一块，与胶片固定在一起，作为辅助器件；导线若干，用来连接电路；乳胶，用来固定条形磁铁和霍尔片。
2.实验装置设计。本实验所依据的原理仍为霍尔效应测磁场原理，测量三维空间的磁场分布是测量二维空间磁场分布的扩展，在这里，我们以测量二维空间磁场分布为例来设计实验装置。由所选器件进行设计装置线路的具体思路为：所测对象为一对条形磁铁周围产生的磁场，条形磁铁需要固定，这里用一块有机玻璃作为支撑物，用乳胶将条形磁铁将其固定；为了测霍尔电压和电流，需要将霍尔片的两对边焊接上导线，由于霍尔片较小，在实验时为了获得可靠的数据，不能用手直接接触，所以需将其用乳胶固定于一空心圆柱体（如笔芯等）下端，并使其法线方向在水平面内；霍尔片的工作电流由稳压电源提供，其电流值由毫安表指示，霍尔电压由毫伏表指示。为了保护电路，用一只电阻作为限流电阻，一只单刀开关用来接通和切断电路。因为某点的磁场具有方向，所以为了指示该方向，将一张带有坐标的胶片附于玻璃板之上，用一挖去中心的量角器指示霍尔片的法线方向，扩展到测量三维空间的磁场分布。
二、实验结果的效应
霍尔效应在应用技术别重要。霍尔发现，如果对位于磁场（B）中的导体（d）施加一个电压（Iv），该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压（UH），人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。好比一条路，本来大家是均匀的分布在路面上，往前移动.当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走.故路（导体）的两侧，就会产生电压差.这个就叫“霍尔效应”。根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度地提高发动机的性能，具有明显的优势。
三、方案优缺点分析
1.实验方案。对于现在大学物理实验中的霍尔效应测磁场项目，所用装置中的霍尔片只能沿螺线管中轴线移动，且霍尔片法线方向只能保持水平而不能转动，所以只能测出螺线管中轴线上的磁场分布，本实验所测对象为一对条形磁铁在二维空间（水平面内）的磁场分布。设计的具体方案为：将霍尔片放置于所测磁场中的任意位置，令其转动一周，观察测得霍尔电压的大小及霍尔片法线的方向，当霍尔电压最大时对应的磁感强度值即为该点的磁场大小，此时霍尔片的法线方向即为该点磁场的方向，从而可将所测点的磁场确定下来。
2.实验方法。改变霍尔片的位置，即可确定出二维空间中各点的磁场。此方法可以测量磁场，而无法测量周围磁场。本实验方案克服了以上缺点，可以使霍尔片在未知磁场中随意移动，且霍尔片法线方向可随意转动，根据霍尔效应测磁场原理，通过将霍尔片法线在空间任一点转动，观测最大霍尔电压值及此时霍尔片的法线方向，确定出所测点的磁场大小及方向。因而该实验可测量空间任一点的磁场。本实验方案着重对大学物理实验中霍尔效应测量磁场实验的方法改进应测量磁场实验方法的改进，着重培养学生的创新思维，但对消除一些实验附加效应、实验数据精度等考虑不多。如果想消除附加效应，同样可以通过改变霍尔电流和磁场方向来消除，利用精度比较高的电表来提高实验数据精度。
四、结束语
本文提供了一种利用霍尔效应测量二维空间磁场分布的实验方案，进而可扩展到测量三维空间的磁场分布。通过该实验，学生不仅可深刻理解大学物理课程中所学磁场的性质，而且可在学学物理实验利用霍尔效应测量螺线管轴线上的磁场项目基础上，开阔思路，培养创新能力。因此，该实验可作为设计性实验项目在大学物理实验课中开出。