對(duì)霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法改進(jìn)

程翊

【摘 要】文本以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中有關(guān)“霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)”中只能測(cè)長(zhǎng)直螺線管軸線上的磁場(chǎng)分布不足情況，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。這種可以對(duì)任一未知磁場(chǎng)在二維空間的分布進(jìn)行測(cè)量，在此基礎(chǔ)上拓展到測(cè)量三維空間磁場(chǎng)的分布。利用改進(jìn)之后的方法進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)霍爾效應(yīng)的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深刻，對(duì)其原理以及磁場(chǎng)的性質(zhì)會(huì)有更好的認(rèn)知，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意思維和實(shí)踐操作能力。

【關(guān)鍵詞】霍爾效應(yīng)；測(cè)量磁場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)；方法；改進(jìn)

0 引言

霍爾效應(yīng)在實(shí)際的應(yīng)用中，還會(huì)出現(xiàn)一些其他效應(yīng)，比如載流子遷移速率u服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，小于霍爾電場(chǎng)作用力的洛倫茲力會(huì)作用于速度校的載流子，使其向霍爾電場(chǎng)作用力方向偏轉(zhuǎn)，速度大載流子受到磁場(chǎng)作用力大于霍爾電場(chǎng)作用力，向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這樣一來(lái)，一側(cè)高速載流子會(huì)增加，相當(dāng)于溫度較高，相對(duì)一側(cè)的低速載流子增多，也就是溫度較低。這就是作為的溫差電動(dòng)勢(shì)VE，也被稱之為愛(ài)延豪森效應(yīng)。想要建立這種效應(yīng)，需要花費(fèi)一定的時(shí)間，并且在直流電測(cè)量的時(shí)候，會(huì)給霍爾電壓測(cè)量帶來(lái)一定誤差，如果采用交流電，則可以減少測(cè)量誤差。

1 霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的基本原理

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差就被叫做霍爾電勢(shì)差.導(dǎo)體中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓.正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù).平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率.因此，對(duì)于一個(gè)已知霍爾系數(shù)的導(dǎo)體，通過(guò)一個(gè)已知方向、大小的電流，同時(shí)測(cè)出該導(dǎo)體兩側(cè)的霍爾電勢(shì)差的方向與大小，就可以得出該導(dǎo)體所處磁場(chǎng)的方向和大小。

2 霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法改進(jìn)分析

2.1 改進(jìn)方案

2.1.1 儀器的選取

目前，我國(guó)普遍大學(xué)在物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，在霍爾效應(yīng)環(huán)境下對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量的過(guò)程下，主要運(yùn)用的儀器就是螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀和霍爾效應(yīng)測(cè)試儀，這兩種儀器都是集成化速度比較高的儀器，這樣就會(huì)在一定程度上對(duì)學(xué)生的思維開(kāi)發(fā)和支柱裝置側(cè)磁場(chǎng)的能力造成了嚴(yán)重的限制和約束。所以，在對(duì)磁場(chǎng)源進(jìn)行選擇的過(guò)程中，需要保證是一條形的磁鐵，在實(shí)際的測(cè)量的過(guò)程中還包括霍爾云片和毫伏表以及穩(wěn)定電源等等。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)的原理，依舊是國(guó)內(nèi)比較傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)側(cè)磁場(chǎng)原理，在對(duì)三維空間的磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量的重要目標(biāo)，就是對(duì)二維空間磁場(chǎng)的分布進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量，這個(gè)測(cè)量的過(guò)程中，就需要對(duì)二維空間磁場(chǎng)的分布進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在對(duì)裝置線路進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最主要的思路就是需要將一對(duì)條形磁鐵周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)環(huán)境作為重要測(cè)量對(duì)象，還需要嚴(yán)格的保證條形磁鐵的固定程度，并且還要采用一塊有機(jī)玻璃作為穩(wěn)定的支撐物，最后走運(yùn)用乳膠對(duì)條形的磁鐵進(jìn)行固定。另外，在對(duì)霍爾電壓和電流進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，就需要將霍爾片的兩個(gè)對(duì)邊進(jìn)行焊接，并且將導(dǎo)線進(jìn)行焊接。但是因?yàn)榛魻柶陨肀容^小，還需要保證在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中能夠獲取比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，就需要在測(cè)量的過(guò)程中要保證不能用手直接進(jìn)行接觸，這就需要采用乳膠，對(duì)一個(gè)空心的圓珠筆下端進(jìn)行固定，還需要使其中的發(fā)現(xiàn)方向保持在水平面之內(nèi)。在霍爾片工作的過(guò)程中，需要提供一個(gè)比較穩(wěn)定的電流和電源，為了能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行全方面的保護(hù)，就需要采用一只電阻對(duì)其他電阻進(jìn)行嚴(yán)格的限制，還需要利用單只刀的開(kāi)關(guān)，將電路進(jìn)行接通和切斷。除此之外，在特定的環(huán)境下測(cè)長(zhǎng)就會(huì)具有方向，為了保證能夠指向不該指向的方向，就需要運(yùn)用一張帶有坐標(biāo)的膠片，粘附在玻璃板的上面，這樣不僅可以挖去中心的量角器，從而指向霍爾片的法線方向，還可以有效的對(duì)三維空間的磁場(chǎng)分布測(cè)量進(jìn)行擴(kuò)展。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的效應(yīng)

在應(yīng)用各種技術(shù)的過(guò)程中，最重要的就是霍爾效。但是，在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中，霍爾發(fā)現(xiàn)，如果在磁場(chǎng)中的主體地方施加一個(gè)電壓，就會(huì)促使磁場(chǎng)的方向垂直在電壓施加的方向，人們將這種電壓稱之為霍爾電壓，而其中出現(xiàn)的現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。依據(jù)霍爾效應(yīng)原理背景下，做成的霍爾器件，主要是將磁場(chǎng)作為工作過(guò)程中的媒體，并且將物體中運(yùn)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓的形式而輸出，最終使磁場(chǎng)自身具備傳感和開(kāi)關(guān)的功能。例如，汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)，就需要設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器之間，從而可以有效取代機(jī)械斷電器。在這種情況下，就會(huì)促使霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器，會(huì)跟隨轉(zhuǎn)速變化的磁場(chǎng)，在半導(dǎo)體層中產(chǎn)生脈沖電壓，最終對(duì)電控電源的初級(jí)電流進(jìn)行嚴(yán)格的控制。但是，站在機(jī)械斷電器的角度來(lái)看，就可以對(duì)霍爾式點(diǎn)火脈沖的發(fā)生器進(jìn)行全方面的維護(hù)，可以適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，這樣不僅可以對(duì)點(diǎn)火的時(shí)候進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，還可以有效的提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身的性能。

2.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

對(duì)于現(xiàn)階段大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用的霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目的過(guò)程中來(lái)說(shuō)，裝置中采用的霍爾片，只能夠在螺絲管中的軸線上移動(dòng)，法線的防線也能夠保持方向的水平，這也就只能夠?qū)β菥€管中的磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中主要以一對(duì)條形磁鐵在二維空間的磁場(chǎng)分布為對(duì)主要測(cè)量對(duì)象。而對(duì)于設(shè)計(jì)的方案來(lái)說(shuō)，需要將霍爾片放在測(cè)量磁場(chǎng)中的任意位置，保證可以轉(zhuǎn)動(dòng)一周，對(duì)霍爾電壓的大小和霍爾片法線的方向進(jìn)行嚴(yán)格的觀察和測(cè)量，這個(gè)階段中，就可以將霍爾片的法線方向設(shè)定為這個(gè)磁場(chǎng)中的主要方向，從而有效保證測(cè)量的磁場(chǎng)都可以確定下來(lái)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法

將霍爾片的位置進(jìn)行改變，就可以將二維空間中的磁場(chǎng)進(jìn)行有效的確定。這種方法可以對(duì)磁場(chǎng)自身進(jìn)行測(cè)量，但是不能夠?qū)Υ艌?chǎng)周圍的環(huán)境進(jìn)行測(cè)量。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，可以解決上文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的問(wèn)題，可以采用霍爾片在磁場(chǎng)中自由的移動(dòng)，并且霍爾片的發(fā)現(xiàn)方向也可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣不僅可以將最大的電壓值和霍爾片的法線方向進(jìn)行嚴(yán)格的觀察和測(cè)量，還可以對(duì)測(cè)量的磁場(chǎng)大小和方向進(jìn)行有效的確定。由此看來(lái)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，可以對(duì)磁場(chǎng)中的任何環(huán)境和地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。另外，這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案還可以對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的霍爾效應(yīng)的測(cè)量方法進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，從而對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行全方面的改進(jìn)和完善，要重點(diǎn)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維進(jìn)行培養(yǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的霍爾效應(yīng)測(cè)量原理進(jìn)行了闡述，繼而提出了可以利用霍爾效應(yīng)測(cè)量二維空間磁場(chǎng)分布的方案，實(shí)現(xiàn)了向三維空間磁場(chǎng)分布的測(cè)量。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，能夠幫助大學(xué)生更好的理解和掌握物理課程中的磁場(chǎng)性質(zhì)，并可以將利用霍爾效應(yīng)對(duì)螺線管軸線上的磁場(chǎng)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量，不僅拓展了學(xué)生為，而且還能夠激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)非常有幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅浩，向澤英，謝英英，馬婷婷.霍爾效應(yīng)法測(cè)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)誤差研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).2015（04）.

[2]孫立良.高能脈沖磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用.2013（07）.

[3]劉雪梅.利用霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量磁場(chǎng)分布的一種方法[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2012（02）.endprint