陳嘯++羅志芳

摘 要：物理是高中課堂的必修課程之一，為提高該課程的學(xué)習(xí)效率。本文專門針對(duì)高中的物理教學(xué)之中的霍爾效應(yīng)以課題研究的形式進(jìn)行了研究和探討，在此過(guò)程中進(jìn)行了總結(jié)、分析以及策略的提出，希望為促進(jìn)高中生的物理學(xué)習(xí)提供積極有價(jià)值的案例參考。

關(guān)鍵詞：霍爾效應(yīng) 課題研究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C 文章編號(hào)：1672-1578（2017）01-0135-01

1 霍爾效應(yīng)的定義和起源

當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象屬于電磁效應(yīng)的一種，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，而且，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)完全不同，同時(shí)，因?yàn)檫@種現(xiàn)象是在1879年，由美國(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）發(fā)現(xiàn)的，因此也被成為“霍爾效應(yīng)”[1]。

2 霍爾效應(yīng)課題研究的具體內(nèi)容

2.1 霍爾效應(yīng)的基本原理

在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得導(dǎo)體中的電子與電洞受到不同方向的洛倫茲力（運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受到的力稱為洛倫茲力，即磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力。洛倫茲力的公式為F=QvB。因?yàn)槭怯珊商m物理學(xué)家洛倫茲首先提出了關(guān)于運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有作用力的觀點(diǎn)，所以，將這種力為洛倫茲力）而往不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與電洞之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此一電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子電洞受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子電洞能順利通過(guò)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。

2.2 霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用研究

2.2.1霍爾傳感器分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器件和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

2.2.2開關(guān)型霍爾傳感器的原理及應(yīng)用

開關(guān)型霍爾傳感器可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)，內(nèi)部均有5個(gè)部分，即由穩(wěn)壓源、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)組成。雙穩(wěn)態(tài)傳感器具有兩組對(duì)稱的施密特整形電路。圖1是單穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成霍爾元件UGN3020的功能圖及輸出特性。對(duì)于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：用磁鐵的S極接近傳感器的端面所形成的B值為正值[2]。

由圖1看出，當(dāng)B=0時(shí)，V0為高電平；當(dāng)外磁場(chǎng)增至BOP時(shí)，輸出V0由高電平轉(zhuǎn)為低電平。外磁場(chǎng)由BOP降至BrP時(shí)，輸出V0由低電平反向，BrP被稱為釋放點(diǎn)。對(duì)于UGN3020，BOP=0.022T，BRP=0.0165T，VOL=80～150mV，VOH=4V，工作電壓為4.5V～24V。

UGN3020可組成轉(zhuǎn)速計(jì)探頭。該探頭由霍爾元件UGN3020和磁鋼組成測(cè)量電路。將具有10個(gè)齒的圓盤固定于被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)主軸上。當(dāng)圓盤齒經(jīng)過(guò)測(cè)量磁路的間隙時(shí)，霍爾元件輸出高電平，其他時(shí)間輸出為低電平；這樣圓盤每轉(zhuǎn)一周，電路輸出10個(gè)脈沖，脈沖經(jīng)過(guò)分頻后，用頻率計(jì)即可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

用集成霍爾傳感器還可以組成過(guò)流檢測(cè)保護(hù)電路，該電路如圖2所示。UGN3020固定于環(huán)形互感磁鋼的空隙中，調(diào)整傳感面的位置，即可調(diào)節(jié)其動(dòng)作的起始磁場(chǎng)，圖中的繼電器如用內(nèi)含雙向晶閘管的固態(tài)繼電器代替，可以組成無(wú)觸點(diǎn)的過(guò)流保護(hù)電路。

2.2.3研究分析及策略

開關(guān)型霍爾元件最具特點(diǎn)的應(yīng)用是在無(wú)刷電機(jī)上。通常的直流電機(jī)采用電刷型整流子供電，這種供電機(jī)構(gòu)工作時(shí)噪聲大，電機(jī)的壽命由于換相器的嚴(yán)重磨損大大減小。利用霍爾元件代替整流子不僅可以根治有刷電機(jī)的上述弊端，而且可以對(duì)電機(jī)直接調(diào)速。如日本勝利公司的HR7200型錄像機(jī)中，采用兩個(gè)霍爾元件和旋轉(zhuǎn)磁鋼構(gòu)成電機(jī)本體，利用霍爾元件IC1、IC2去開關(guān)驅(qū)動(dòng)晶閘管，從而控制流過(guò)電機(jī)繞組的電流方向來(lái)完成換向；調(diào)速則通過(guò)伺服系統(tǒng)控制定子中的電流來(lái)完成。由于采用電子換向，該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十分平穩(wěn)，幾乎無(wú)干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

霍爾效應(yīng)目前在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦械膽?yīng)用十分廣泛，迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等[3]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)霍爾效應(yīng)在各種方面的應(yīng)用研究也日益增多，而且，通過(guò)課題研究，不僅有利于學(xué)生更好的了解物理，培養(yǎng)學(xué)生們學(xué)習(xí)物理的興趣，也有利于增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力，因此，本課題的研究是有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王書清.“霍爾效應(yīng)”課題研究[J].高中數(shù)理化，2011，（8）：27-28.

[2] 朱梁權(quán).量子霍爾效應(yīng)在高中物理解題中運(yùn)用[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)（高一二版），2014，（11）：69.

[3] 陳元軍.談霍爾效應(yīng)及其運(yùn)用[J].考試周刊，2011，（9）：153.