自制霍爾效應(yīng)演示儀

阮長(zhǎng)久,樓松年,陳一安

(金華第一中學(xué),浙江金華321015)

1 引 言

在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體,當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí),導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差,該電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差或霍爾電壓,霍爾電壓與電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度都有關(guān)系.為了通過研究手段得到霍爾電壓與電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系,自制了電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)霍爾電壓影響演示儀,經(jīng)多次使用,教學(xué)效果較好.

2 裝置結(jié)構(gòu)

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的圖片,中間為自制的示教板.板的中心,即為霍爾元件(見右上角的小圈內(nèi)),它與課本照片所展示的是一致的.圖2為該演示儀的電路示意圖.

圖1 霍爾效應(yīng)演示儀實(shí)物圖

圖2 霍爾效應(yīng)演示儀電路示意圖

3 制作原理

由電流經(jīng)過霍爾元件時(shí),若霍爾元件所在區(qū)域有磁場(chǎng),則產(chǎn)生很小的霍爾電壓,由于一般用J0401大型表指示霍爾電壓,而該電表沒有毫伏擋,無法直接驅(qū)動(dòng),為了方便,制作時(shí)霍爾電壓是經(jīng)TDA 2030音頻功放電路放大后再接電壓表或小電機(jī),電壓表的讀數(shù)越大或小電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快,則霍爾電壓越大.電壓放大電路圖見圖3.

3.1 制作電路說明

由于所采用的霍爾元件的4只腳都在同一塊半導(dǎo)體上生成,之間并無電氣隔離,霍爾元件的供電電路和輸出電壓的放大電路須采用2組獨(dú)立電源.霍爾元件的供電電路見圖3虛線右側(cè),它采用高中學(xué)生電源穩(wěn)壓6 V供電,利用二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降分壓,它由電阻R7和4個(gè)二極管串聯(lián)組成,其上端的穩(wěn)壓值約為2.8 V,下端的穩(wěn)壓值約為2.1 V,兩端電壓通過 R6限流和 K2的選擇,加到霍爾元件的電流端,流經(jīng)霍爾元件的電流分別約10 m A和7 m A,切換 K2可演示在磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下,霍爾電壓和流經(jīng)霍爾元件電流成正相關(guān)(所加的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)效果明顯,可能是磁場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度后,霍爾電壓和流經(jīng)霍爾元件電流之間的關(guān)系已脫離線性區(qū)).

圖3 電壓放大電路圖

3.2 放大器原理說明

放大器須采用正負(fù)雙電源供電,考慮到課堂上使用正負(fù)2組電源不方便,這里仍采用單電源,取自高中學(xué)生電源穩(wěn)壓8 V,利用 IC1將之分割成正負(fù)電源,當(dāng) R1=R2時(shí),IC1第4腳輸出電壓為IC1電源電壓的1/2,并將之定為本電路的“地”電位.IC2為放大倍數(shù)為5的放大器(放大倍數(shù) F=1+R3/R4),用以放大毫伏級(jí)的霍爾電壓.可調(diào)節(jié)的 R3或 R4值改變放大倍數(shù).

4 使用方法

演示時(shí),打開2組電源,可見左側(cè)的電流表(10 m A擋)指示出流過霍爾元件的電流 I,而右側(cè)的電壓表(10 V擋,指針居中)未有變化.用磁鐵靠近霍爾元件,電壓表將會(huì)向一個(gè)方向偏轉(zhuǎn),合上電機(jī)開關(guān),小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);改變磁鐵極性,偏轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)都將反向;拉開磁鐵與霍爾元件之間的距離或增大磁鐵與霍爾元件之間的夾角,偏轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度都會(huì)減小.具體操作過程如下:

4.1 演示霍爾電壓與通電電流的定性關(guān)系

1)將學(xué)生電源、電流表、霍爾電壓演示儀等連接起來,改變進(jìn)入霍爾元件的電流,當(dāng)電流表示數(shù)很小時(shí),電壓表示數(shù)也很小,如果接上電動(dòng)機(jī),則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速慢.

2)調(diào)節(jié)學(xué)生電源并保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,當(dāng)電流表示數(shù)增大時(shí),電壓表示數(shù)也增大,如果接上電動(dòng)機(jī),則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變加快.

4.2 演示霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的定性關(guān)系

1)保持電流和磁場(chǎng)方向不變,磁鐵靠近霍爾元件時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快.

2)保持電流和磁場(chǎng)方向不變,拉開磁鐵與霍爾元件之間的距離,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少.

3)保持電流和磁場(chǎng)方向不變,增大磁鐵與霍爾元件之間的偏轉(zhuǎn)角,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少.

通過上面的演示可以得出結(jié)論:霍爾電壓的大小與電流大小成正相關(guān)關(guān)系,與磁感應(yīng)強(qiáng)度亦成正相關(guān)關(guān)系.