霍尔效应的课题研究

陈啸++罗志芳

摘 要：物理是高中课堂的必修课程之一，为提高该课程的学习效率。本文专门针对高中的物理教学之中的霍尔效应以课题研究的形式进行了研究和探讨，在此过程中进行了总结、分析以及策略的提出，希望为促进高中生的物理学习提供积极有价值的案例参考。

关键词：霍尔效应 课题研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：C 文章编号：1672-1578（2017）01-0135-01

1 霍尔效应的定义和起源

当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象属于电磁效应的一种，它定义了磁场和感应电压之间的关系，而且，这种效应和传统的电磁感应完全不同，同时，因为这种现象是在1879年，由美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）发现的，因此也被成为“霍尔效应”[1]。

2 霍尔效应课题研究的具体内容

2.1 霍尔效应的基本原理

在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导体中的电子与电洞受到不同方向的洛伦兹力（运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。洛伦兹力的公式为F=QvB。因为是由荷兰物理学家洛伦兹首先提出了关于运动电荷产生磁场和磁场对运动电荷有作用力的观点，所以，将这种力为洛伦兹力）而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

2.2 霍尔效应传感器的应用研究

2.2.1霍尔传感器分类

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器件和开关型霍尔传感器两种。

2.2.2开关型霍尔传感器的原理及应用

开关型霍尔传感器可分为单稳态和双稳态，内部均有5个部分，即由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。双稳态传感器具有两组对称的施密特整形电路。图1是单稳态开关集成霍尔元件UGN3020的功能图及输出特性。对于开关型传感器的正值规定是：用磁铁的S极接近传感器的端面所形成的B值为正值[2]。

由图1看出，当B=0时，V0为高电平；当外磁场增至BOP时，输出V0由高电平转为低电平。外磁场由BOP降至BrP时，输出V0由低电平反向，BrP被称为释放点。对于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作电压为4.5V～24V。

UGN3020可组成转速计探头。该探头由霍尔元件UGN3020和磁钢组成测量电路。将具有10个齿的圆盘固定于被测对象的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍尔元件输出高电平，其他时间输出为低电平；这样圆盘每转一周，电路输出10个脉冲，脉冲经过分频后，用频率计即可测出被测对象的实际转速。

用集成霍尔传感器还可以组成过流检测保护电路，该电路如图2所示。UGN3020固定于环形互感磁钢的空隙中，调整传感面的位置，即可调节其动作的起始磁场，图中的继电器如用内含双向晶闸管的固态继电器代替，可以组成无触点的过流保护电路。

2.2.3研究分析及策略

开关型霍尔元件最具特点的应用是在无刷电机上。通常的直流电机采用电刷型整流子供电，这种供电机构工作时噪声大，电机的寿命由于换相器的严重磨损大大减小。利用霍尔元件代替整流子不仅可以根治有刷电机的上述弊端，而且可以对电机直接调速。如日本胜利公司的HR7200型录像机中，采用两个霍尔元件和旋转磁钢构成电机本体，利用霍尔元件IC1、IC2去开关驱动晶闸管，从而控制流过电机绕组的电流方向来完成换向；调速则通过伺服系统控制定子中的电流来完成。由于采用电子换向，该电机运转十分平稳，几乎无干扰。

3 结语

霍尔效应目前在我们日常生活和工作中的应用十分广泛，迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等[3]。随着我国科学技术的不断进步，对霍尔效应在各种方面的应用研究也日益增多，而且，通过课题研究，不仅有利于学生更好的了解物理，培养学生们学习物理的兴趣，也有利于增强学生的动手能力和思考能力，因此，本课题的研究是有一定的理论和现实意义的。

参考文献：

[1] 王书清.“霍尔效应”课题研究[J].高中数理化，2011，（8）：27-28.

[2] 朱梁权.量子霍尔效应在高中物理解题中运用[J].数理化学习（高一二版），2014，（11）：69.

[3] 陈元军.谈霍尔效应及其运用[J].考试周刊，2011，（9）：153.