对霍尔效应测量磁场实验的方法改进

程翊

【摘 要】文本以大学物理实验中有关“霍尔效应测量磁场”中只能测长直螺线管轴线上的磁场分布不足情况，提出相应的改进方法。这种可以对任一未知磁场在二维空间的分布进行测量，在此基础上拓展到测量三维空间磁场的分布。利用改进之后的方法进行物理实验，学生对霍尔效应的认识会更加深刻，对其原理以及磁场的性质会有更好的认知，还能够培养学生的创意思维和实践操作能力。

【关键词】霍尔效应；测量磁场；实验；方法；改进

0 引言

霍尔效应在实际的应用中，还会出现一些其他效应，比如载流子迁移速率u服从统计分布规律，小于霍尔电场作用力的洛伦兹力会作用于速度校的载流子，使其向霍尔电场作用力方向偏转，速度大载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力，向洛伦兹力方向偏转。这样一来，一侧高速载流子会增加，相当于温度较高，相对一侧的低速载流子增多，也就是温度较低。这就是作为的温差电动势VE，也被称之为爱延豪森效应。想要建立这种效应，需要花费一定的时间，并且在直流电测量的时候，会给霍尔电压测量带来一定误差，如果采用交流电，则可以减少测量误差。

1 霍尔效应测量磁场的基本原理

霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这个电势差就被叫做霍尔电势差.导体中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压.正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数.平行电场和电流强度之比就是电阻率.因此，对于一个已知霍尔系数的导体，通过一个已知方向、大小的电流，同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，就可以得出该导体所处磁场的方向和大小。

2 霍尔效应测量磁场实验的方法改进分析

2.1 改进方案

2.1.1 仪器的选取

目前，我国普遍大学在物理实验的过程中，在霍尔效应环境下对磁场测量的过程下，主要运用的仪器就是螺线管磁场实验仪和霍尔效应测试仪，这两种仪器都是集成化速度比较高的仪器，这样就会在一定程度上对学生的思维开发和支柱装置侧磁场的能力造成了严重的限制和约束。所以，在对磁场源进行选择的过程中，需要保证是一条形的磁铁，在实际的测量的过程中还包括霍尔云片和毫伏表以及稳定电源等等。

2.1.2 实验装置设计

本这个实验主要依据的原理，依旧是国内比较传统的霍尔效应侧磁场原理，在对三维空间的磁场分布进行测量的重要目标，就是对二维空间磁场的分布进行严格的测量，这个测量的过程中，就需要对二维空间磁场的分布进行测量，从而对实验装置进行合理的设计。在对装置线路进行设计的过程中，最主要的思路就是需要将一对条形磁铁周围产生的磁场环境作为重要测量对象，还需要严格的保证条形磁铁的固定程度，并且还要采用一块有机玻璃作为稳定的支撑物，最后走运用乳胶对条形的磁铁进行固定。另外，在对霍尔电压和电流进行测量的过程中，就需要将霍尔片的两个对边进行焊接，并且将导线进行焊接。但是因为霍尔片自身比较小，还需要保证在实验的过程中能够获取比较准确的数据，就需要在测量的过程中要保证不能用手直接进行接触，这就需要采用乳胶，对一个空心的圆珠笔下端进行固定，还需要使其中的发现方向保持在水平面之内。在霍尔片工作的过程中，需要提供一个比较稳定的电流和电源，为了能够对电路进行全方面的保护，就需要采用一只电阻对其他电阻进行严格的限制，还需要利用单只刀的开关，将电路进行接通和切断。除此之外，在特定的环境下测长就会具有方向，为了保证能够指向不该指向的方向，就需要运用一张带有坐标的胶片，粘附在玻璃板的上面，这样不仅可以挖去中心的量角器，从而指向霍尔片的法线方向，还可以有效的对三维空间的磁场分布测量进行扩展。

2.2 实验结果的效应

在应用各种技术的过程中，最重要的就是霍尔效。但是，在实际测量的过程中，霍尔发现，如果在磁场中的主体地方施加一个电压，就会促使磁场的方向垂直在电压施加的方向，人们将这种电压称之为霍尔电压，而其中出现的现象就是霍尔效应。依据霍尔效应原理背景下，做成的霍尔器件，主要是将磁场作为工作过程中的媒体，并且将物体中运动的参数进行转变，从而转化为数字电压的形式而输出，最终使磁场自身具备传感和开关的功能。例如，汽车的点火系统，就需要设计者将霍尔传感器放在分电器之间，从而可以有效取代机械断电器。在这种情况下，就会促使霍尔式点火脉冲发生器，会跟随转速变化的磁场，在半导体层中产生脉冲电压，最终对电控电源的初级电流进行严格的控制。但是，站在机械断电器的角度来看，就可以对霍尔式点火脉冲的发生器进行全方面的维护，可以适应各种恶劣的工作环境，这样不仅可以对点火的时候进行准确的控制，还可以有效的提高发动机自身的性能。

2.3 方案优缺点分析

2.3.1 实验方案

对于现阶段大学物理实验过程中，运用的霍尔效应磁场测试项目的过程中来说，装置中采用的霍尔片，只能够在螺丝管中的轴线上移动，法线的防线也能够保持方向的水平，这也就只能够对螺线管中的磁场分布进行测量，这个实验的过程中主要以一对条形磁铁在二维空间的磁场分布为对主要测量对象。而对于设计的方案来说，需要将霍尔片放在测量磁场中的任意位置，保证可以转动一周，对霍尔电压的大小和霍尔片法线的方向进行严格的观察和测量，这个阶段中，就可以将霍尔片的法线方向设定为这个磁场中的主要方向，从而有效保证测量的磁场都可以确定下来。

2.3.2 实验方法

将霍尔片的位置进行改变，就可以将二维空间中的磁场进行有效的确定。这种方法可以对磁场自身进行测量，但是不能够对磁场周围的环境进行测量。但是这个实验方案，可以解决上文实验过程中的问题，可以采用霍尔片在磁场中自由的移动，并且霍尔片的发现方向也可以随意转动，这样不仅可以将最大的电压值和霍尔片的法线方向进行严格的观察和测量，还可以对测量的磁场大小和方向进行有效的确定。由此看来，这个实验方案，可以对磁场中的任何環境和地点进行测量。另外，这个实验方案还可以对大学物理实验过程中的霍尔效应的测量方法进行重点关注，从而对测量磁场的实验方法进行全方面的改进和完善，要重点对学生的创新思维进行培养。

3 结束语

本文首先对大学物理实验中的霍尔效应测量原理进行了阐述，继而提出了可以利用霍尔效应测量二维空间磁场分布的方案，实现了向三维空间磁场分布的测量。通过本次实验，能够帮助大学生更好的理解和掌握物理课程中的磁场性质，并可以将利用霍尔效应对螺线管轴线上的磁场项目进行测量，不仅拓展了学生为，而且还能够激发学生创新意识，提升学生创新能力，对学生未来学习非常有帮助。

【参考文献】

[1]罗浩，向泽英，谢英英，马婷婷.霍尔效应法测磁场实验误差研究[J].大学物理实验.2015（04）.

[2]孙立良.高能脉冲磁场测量仪的设计[J].自动化技术与应用.2013（07）.

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