自制霍尔效应演示仪

阮长久,楼松年,陈一安

(金华第一中学,浙江金华321015)

1 引 言

在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体,当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差,该电势差称为霍尔电势差或霍尔电压,霍尔电压与电流、磁感应强度都有关系.为了通过研究手段得到霍尔电压与电压、磁感应强度的关系,自制了电流、磁感应强度对霍尔电压影响演示仪,经多次使用,教学效果较好.

2 装置结构

图1为实验装置的图片,中间为自制的示教板.板的中心,即为霍尔元件(见右上角的小圈内),它与课本照片所展示的是一致的.图2为该演示仪的电路示意图.

图1 霍尔效应演示仪实物图

图2 霍尔效应演示仪电路示意图

3 制作原理

由电流经过霍尔元件时,若霍尔元件所在区域有磁场,则产生很小的霍尔电压,由于一般用J0401大型表指示霍尔电压,而该电表没有毫伏挡,无法直接驱动,为了方便,制作时霍尔电压是经TDA 2030音频功放电路放大后再接电压表或小电机,电压表的读数越大或小电机的转速越快,则霍尔电压越大.电压放大电路图见图3.

3.1 制作电路说明

由于所采用的霍尔元件的4只脚都在同一块半导体上生成,之间并无电气隔离,霍尔元件的供电电路和输出电压的放大电路须采用2组独立电源.霍尔元件的供电电路见图3虚线右侧,它采用高中学生电源稳压6 V供电,利用二极管导通时的正向压降分压,它由电阻R7和4个二极管串联组成,其上端的稳压值约为2.8 V,下端的稳压值约为2.1 V,两端电压通过 R6限流和 K2的选择,加到霍尔元件的电流端,流经霍尔元件的电流分别约10 m A和7 m A,切换 K2可演示在磁场强度不变的情况下,霍尔电压和流经霍尔元件电流成正相关(所加的磁场强度较小时效果明显,可能是磁场强度增大到一定程度后,霍尔电压和流经霍尔元件电流之间的关系已脱离线性区).

图3 电压放大电路图

3.2 放大器原理说明

放大器须采用正负双电源供电,考虑到课堂上使用正负2组电源不方便,这里仍采用单电源,取自高中学生电源稳压8 V,利用 IC1将之分割成正负电源,当 R1=R2时,IC1第4脚输出电压为IC1电源电压的1/2,并将之定为本电路的“地”电位.IC2为放大倍数为5的放大器(放大倍数 F=1+R3/R4),用以放大毫伏级的霍尔电压.可调节的 R3或 R4值改变放大倍数.

4 使用方法

演示时,打开2组电源,可见左侧的电流表(10 m A挡)指示出流过霍尔元件的电流 I,而右侧的电压表(10 V挡,指针居中)未有变化.用磁铁靠近霍尔元件,电压表将会向一个方向偏转,合上电机开关,小电机转动;改变磁铁极性,偏转和转动都将反向;拉开磁铁与霍尔元件之间的距离或增大磁铁与霍尔元件之间的夹角,偏转角度和转动速度都会减小.具体操作过程如下:

4.1 演示霍尔电压与通电电流的定性关系

1)将学生电源、电流表、霍尔电压演示仪等连接起来,改变进入霍尔元件的电流,当电流表示数很小时,电压表示数也很小,如果接上电动机,则电动机转速慢.

2)调节学生电源并保持磁感应强度不变,当电流表示数增大时,电压表示数也增大,如果接上电动机,则电动机转速变加快.

4.2 演示霍尔电压与磁感应强度的定性关系

1)保持电流和磁场方向不变,磁铁靠近霍尔元件时,电动机转速快.

2)保持电流和磁场方向不变,拉开磁铁与霍尔元件之间的距离,电动机转速减少.

3)保持电流和磁场方向不变,增大磁铁与霍尔元件之间的偏转角,电动机转速减少.

通过上面的演示可以得出结论:霍尔电压的大小与电流大小成正相关关系,与磁感应强度亦成正相关关系.