實驗磁懸浮演示器的制作

楊榮生

摘要：介紹了用霍爾元件制作磁懸浮演示器的原理、方法和實驗的效果。

關(guān)鍵詞：霍爾元件；磁懸??；演示器

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2012)4(S)-0055-2

在帶領(lǐng)物理興趣小組開展新課標(biāo)人教版高中物理選修3-1的課題：《霍爾效應(yīng)》的研究過程中，為增強(qiáng)學(xué)生對課外活動的興趣，進(jìn)一步拓展和延伸課題，筆者指引學(xué)生利用現(xiàn)在常用的集成化更高，適用性更強(qiáng)的三腳霍爾元件設(shè)計制作了一個不算復(fù)雜的電子裝置，來演示磁懸浮這種不尋常的科學(xué)現(xiàn)象。通過制作提高了學(xué)生動手能力增強(qiáng)了物理興趣，也體現(xiàn)了新課標(biāo)的理念，反響非常好。介紹如下：

1工作原理

小磁柱的輕微擾動會導(dǎo)致空間磁場變化，霍爾元件把這個變化感應(yīng)成線性電壓信號進(jìn)行反饋。通過運算放大器LM324進(jìn)行兩級放大，兩個470K電阻R1、R2構(gòu)成的分壓電路給運放提供一個直流偏壓，使其工作在放大區(qū)并能調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點。200K電位器R3的作用是調(diào)節(jié)霍爾元件信號的平衡位置，500K電位器R5的作用是調(diào)節(jié)控制電路的靈敏度或者說是調(diào)節(jié)前級放大倍數(shù)，防止后面的放大電路飽和。兩級運放間RC是微分控制，它可以根據(jù)小磁柱的速度來改變線圈電流的大小，讓線圈的磁場對小磁柱的控制更加穩(wěn)定。如果不加電容，就只根據(jù)小磁柱位置來改變了，穩(wěn)定性要差些。

霍爾元件的反饋信號被兩級運放和三極管放大了很多倍，只要磁場一有擾動，就會驅(qū)動線圈電流變化讓小磁柱趨于恒定。小磁柱在空中受重力和磁力作用，當(dāng)小磁柱處于某個高度時，電路使重力和磁力平衡。當(dāng)小磁柱高于這個高度時，電路使線圈磁力小于重力，從而使小磁柱有下落趨勢。反之，低于這個高度，電路使線圈磁力增大，小磁柱就有上升趨勢。使得小磁柱能在一定的擾動范圍內(nèi)保持平衡。

2器材的準(zhǔn)備

R1、R2、R4、R6、R7、R8均為1／4W碳膜電阻，R3、R5為1／4W可調(diào)電位器；C1：1uF無極性電解電容：三極管：9013；IC：四運算放大器集成塊LM324，若手頭沒有可用其它型號代替，雙運放也行。線性霍爾元件是3503，也可以用別的型號，但必須是線性輸出的，開關(guān)型的不能用。關(guān)于霍爾元件的接法，實際連接時應(yīng)該把有字的一端朝向自己。三個管腳從左到右依次為電源正極、地、信號輸出。

被懸浮的是磁力強(qiáng)體積小的高強(qiáng)磁性釹鐵硼磁鋼小磁柱，普通磁鐵的磁性不夠不能用。為了使演示的視覺效果會更好，推薦使用球形的釹鐵硼磁鐵小磁鋼。線圈自己繞制，不必繞那么多圈，但是繞得越多越省電，磁力不會明顯提高。繞制時記住線圈的繞向并作好標(biāo)記，通電時可確定其N、S極。線圈不加鐵芯防止磁飽和。做好后在線圈擋板處加一塊鋁板。

3儀器的制作

電路部分的元件不多，但為了提高儀器的穩(wěn)定性和電路的可靠性可以將各元器件焊接在印刷電路板上，各接點用電烙鐵焊牢。

制作電磁線圈：找一個繞焊錫絲的塑料模。把長度為15-20米，線徑為0.2毫米的漆包線密繞在這個模上。在線圈端面前加一塊鋁片，鋁片內(nèi)形成的渦流能夠使小磁鐵的懸浮更加平穩(wěn)，其作用類似于電容的微分控制。線圈做好后試驗一下，接上大約5伏直流電，在小磁鐵上方1厘米處應(yīng)該能把它吸上來。

制作支架：如上圖所示，無需多說，制作好之后在底板上用膠固定好霍爾元件，使霍爾元件有字的一面朝上且平面與底板平行。

電源采用4節(jié)5號干電池6伏供電，裝在電池夾內(nèi)。開關(guān)、可調(diào)電阻器安裝在電路板上方便調(diào)節(jié)的位置，裝在一個方形的半敞開盒子里。

4儀器的調(diào)試

自上而下，線圈上端為N極下端為S極，小磁柱上端為N極下端為S極，線性霍爾元件3503有字的一面朝上(或者全部反之)。當(dāng)線圈的電流較小時，小磁柱往下落S極靠近霍爾元件，霍爾元件輸出一高電壓經(jīng)放大使線圈電流增大磁性增強(qiáng)，小磁柱往上吸。反之，當(dāng)線圈的電流較大時，小磁柱往上升S極遠(yuǎn)離霍爾元件，霍爾元件輸出一低電壓經(jīng)放大使線圈電流減小磁性減弱，小磁柱往下落。直到小磁柱在一個合適的位置穩(wěn)定下來。

調(diào)試時，先把R5調(diào)到最大，把小磁柱放在線圈下讓它吸住。從正到負(fù)調(diào)節(jié)R3直至小磁柱慢慢離開線圈但不落地。同時調(diào)節(jié)R5使小磁柱更加穩(wěn)定，然后邊觀察邊微調(diào)R3、R5，最終使小磁柱能穩(wěn)定懸浮在線圈下1厘米處。兩個可變電阻的阻值必須調(diào)試到合適才能懸浮且穩(wěn)定。在演示時，可以輕輕晃動裝置，用紙、塑料片等從小磁柱與線圈之間穿過，甚至用手指輕輕觸碰小磁柱，它都能保持懸浮狀態(tài)，效果非常好。

參考文獻(xiàn)：

[1]全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[J]物理教學(xué)探討，2002(1)：4-6

(欄目編輯王柏廬)