蘇向英

【摘 要】本文探討了電磁理論在生活、科技方面的應(yīng)用，主要介紹了霍爾效應(yīng)測車速及電磁加速，包括回旋加速器和電磁軌道炮，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時認(rèn)識到理論是可用的。

【關(guān)鍵詞】電磁理論;霍爾效應(yīng);電磁加速

電與磁是兩千多年前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的自然現(xiàn)象，而且發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象早于電現(xiàn)象。我國還是發(fā)現(xiàn)天然磁鐵最早的國家之一。電和磁現(xiàn)象有著廣泛的應(yīng)用，例如靜電除塵、靜電噴涂、靜電陀螺儀等對電場的應(yīng)用，古代的“司南勺”、磁控濺射等對磁場的應(yīng)用。當(dāng)然，電與磁有著密不可分的聯(lián)系，麥克斯韋將電磁統(tǒng)一在一起形成了基本的電磁理論，是經(jīng)典物理中的一個重要的部分。在普通物理的教學(xué)上，我們要讓學(xué)生對這部分知識有比較全面的認(rèn)識。同時這部分理論也是生活、科技等方面應(yīng)用的基礎(chǔ)，我們也希望學(xué)生能夠多加認(rèn)識和了解。

1.霍爾效應(yīng)測車速

1.1霍爾效應(yīng)的原理

著名物理學(xué)家霍爾于1879年鄭重宣布了他最新研究的關(guān)于磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。如下圖所示，他發(fā)現(xiàn)如果給磁場中的導(dǎo)體加以電流時，導(dǎo)體內(nèi)部的電子與空穴受到垂直于電流方向的磁場的作用，在洛倫茲力的作用下，電子與空穴會往不同的方向運動并分別聚集在導(dǎo)體的上下兩個表面，而這些上下表面的電子與空穴之間就形成了電壓，從而在導(dǎo)體內(nèi)部形成一個向下的電場，這個電場又對電子和空穴產(chǎn)生電場力，從而抵消掉磁場給它們的洛倫茲力，那么電子與空穴就會源源不斷的通過導(dǎo)體而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)體的上下表面會形成一個穩(wěn)定的電勢差，這就是偉大的影響后世數(shù)百年的霍爾效應(yīng)。

1.2霍爾效應(yīng)測車速

繼霍爾效應(yīng)被實驗證明以后，科學(xué)家們便將霍爾效應(yīng)充分利用起來。最為重要的一項成果就是將霍爾效應(yīng)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，生產(chǎn)出一系列霍爾傳感器。

霍爾傳感器因其功能不同，所以大體上可歸結(jié)為線型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩大類。線型霍爾傳感器一般以模擬信號為主要研究對象;開關(guān)型霍爾傳感器一般以數(shù)字信號為主要研究對象。除此之外，霍爾傳感器還可以歸結(jié)為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩種測量類型。直接應(yīng)用類不需要載體就能直接測磁場，間接應(yīng)用則需要借助一些中介載體進行測量，從而將一些既不是電又不是磁的物理信號，像轉(zhuǎn)速、流量、熱容等轉(zhuǎn)換為電信號測量。

霍爾傳感器可對汽車行駛的速度進行測量，它先接收信號源發(fā)出的電子信號，再將電子信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再將脈沖信號經(jīng)過單片機模塊進行轉(zhuǎn)速信號處理，最終以汽車車速的數(shù)字量信號顯示，這樣就能夠?qū)崟r地反映汽車車速的變化情況。

如下圖所示，把一塊磁鋼放置在一個大的圓盤上，再將霍爾傳感器放在圓盤一邊，同時給線圈通以電流。一旦有磁場通過，就會產(chǎn)生電壓，只有在沒有磁場時，才不會產(chǎn)生電壓。圓盤轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器會把檢測到的信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，這樣就可以測出轉(zhuǎn)數(shù)了。

只要測出n次脈沖電壓發(fā)出的總時間T，就能測出角速度

ω=2π（n-1）/T

再根據(jù)v=ωR，可以求出T時間內(nèi)車輪的線速度，R為車輪半徑。

2.電磁加速

2.1回旋加速器

回旋加速器的構(gòu)造十分簡單，其最重要的組件是由兩個金屬做成的D形狀的盒子，這兩個盒子具有屏蔽的作用?；匦铀倨鞯墓ぷ髟硎窃诤猩霞由洗艌?，使電子做圓周運動，在盒上加上交變電流就能在D縫處對電子進行反復(fù)加速。

2.2電磁軌道炮

我們知道放在一起的兩根通電導(dǎo)線之間會存在相互作用，即安培力。而且如果兩根導(dǎo)線中的電流是同向的，它們間產(chǎn)生的是相互吸引的作用，如果兩根導(dǎo)線中的電流是反向的，那么它們間產(chǎn)生的將是相互排斥的作用。這也是電磁軌道炮的應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前我們向太空發(fā)送物資的方式是燃料式火箭，然而，當(dāng)我們開發(fā)月球和小行星時，因為那里不具備用于常規(guī)火箭的燃料源，所以需要更有效的方式。電磁發(fā)射裝置可能是個解決方案。它是一種小型樣機，即電磁軌道炮。電磁軌道炮是抵用電磁加速技術(shù)發(fā)射彈丸的一種電能武器。在發(fā)射過程中，強大的電磁力（洛倫茲力）使彈丸以極高的初速度分離炮管口，這種初速度比常規(guī)化學(xué)推進劑發(fā)射的彈丸的初速度要高得多，并且射程也要遠(yuǎn)。

如下圖所示，電磁軌道炮由兩根相當(dāng)炮管長短的固定平行導(dǎo)軌和一個沿導(dǎo)軌軸線方向滑動的電樞組成，彈丸放置在電樞前面的導(dǎo)軌上形成閉合回路。導(dǎo)軌、電容器與旋轉(zhuǎn)電機構(gòu)成的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)結(jié)。當(dāng)發(fā)射彈丸時，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)向一根導(dǎo)軌供電，經(jīng)過電樞流向另一根導(dǎo)軌。強大的電流流經(jīng)兩平行導(dǎo)軌，在兩導(dǎo)軌間產(chǎn)生強大的、方向相反的線性磁場，并與電樞形成的第三個磁場相互作用，產(chǎn)生強大的電磁力。電磁力推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿導(dǎo)軌做加速運動來獲得很高的初速度，彈丸將沿導(dǎo)軌向外運動直到從炮口末端發(fā)射出去。

3.結(jié)束語

電磁理論是自然界的基本理論之一，不僅是自然科學(xué)的一部分，也在生活、科技等方面有著重要的應(yīng)用。本文探討了電磁理論在霍爾效應(yīng)測車速、電磁加速方面的應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)在理論知識的同時還能擴大了視野，在提高他們學(xué)習(xí)興趣的同時也能引發(fā)他們的思考。

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