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(cè)車(chē)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(shí)認(rèn)識(shí)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(guó)還是發(fā)現(xiàn)天然磁鐵最早的國(guó)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(duì)電場(chǎng)的應(yīng)用，古代的“司南勺”、磁控濺射等對(duì)磁場(chǎng)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(gè)重要的部分。在普通物理的教學(xué)上，我們要讓學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)有比較全面的認(rèn)識(shí)。同時(shí)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(shí)和了解。

1.霍爾效應(yīng)測(cè)車(chē)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(chǎng)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(chǎng)中的導(dǎo)體加以電流時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電子與空穴受到垂直于電流方向的磁場(chǎng)的作用，在洛倫茲力的作用下，電子與空穴會(huì)往不同的方向運(yùn)動(dòng)并分別聚集在導(dǎo)體的上下兩個(gè)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(gè)向下的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)又對(duì)電子和空穴產(chǎn)生電場(chǎng)力，從而抵消掉磁場(chǎng)給它們的洛倫茲力，那么電子與空穴就會(huì)源源不斷的通過(guò)導(dǎo)體而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)體的上下表面會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)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(cè)車(chē)速

繼霍爾效應(yīng)被實(shí)驗(yàn)證明以后，科學(xué)家們便將霍爾效應(yīng)充分利用起來(lái)。最為重要的一項(xiàng)成果就是將霍爾效應(yīng)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來(lái)，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(kāi)關(guān)型霍爾傳感器兩大類(lèi)。線型霍爾傳感器一般以模擬信號(hào)為主要研究對(duì)象;開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器一般以數(shù)字信號(hào)為主要研究對(duì)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(cè)量類(lèi)型。直接應(yīng)用類(lèi)不需要載體就能直接測(cè)磁場(chǎng)，間接應(yīng)用則需要借助一些中介載體進(jìn)行測(cè)量，從而將一些既不是電又不是磁的物理信號(hào)，像轉(zhuǎn)速、流量、熱容等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)量。

霍爾傳感器可對(duì)汽車(chē)行駛的速度進(jìn)行測(cè)量，它先接收信號(hào)源發(fā)出的電子信號(hào)，再將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再將脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)處理，最終以汽車(chē)車(chē)速的數(shù)字量信號(hào)顯示，這樣就能夠?qū)崟r(shí)地反映汽車(chē)車(chē)速的變化情況。

如下圖所示，把一塊磁鋼放置在一個(gè)大的圓盤(pán)上，再將霍爾傳感器放在圓盤(pán)一邊，同時(shí)給線圈通以電流。一旦有磁場(chǎng)通過(guò)，就會(huì)產(chǎn)生電壓，只有在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，才不會(huì)產(chǎn)生電壓。圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器會(huì)把檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，這樣就可以測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)了。

只要測(cè)出n次脈沖電壓發(fā)出的總時(shí)間T，就能測(cè)出角速度

ω=2π（n-1）/T

再根據(jù)v=ωR，可以求出T時(shí)間內(nèi)車(chē)輪的線速度，R為車(chē)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(jiǎn)單，其最重要的組件是由兩個(gè)金屬做成的D形狀的盒子，這兩個(gè)盒子具有屏蔽的作用?；匦铀倨鞯墓ぷ髟硎窃诤猩霞由洗艌?chǎng)，使電子做圓周運(yùn)動(dòng)，在盒上加上交變電流就能在D縫處對(duì)電子進(jìn)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(huì)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(kāi)發(fā)月球和小行星時(shí)，因?yàn)槟抢锊痪邆溆糜诔Ｒ?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(gè)解決方案。它是一種小型樣機(jī)，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(guò)程中，強(qiáng)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(jìn)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(zhǎng)短的固定平行導(dǎo)軌和一個(gè)沿導(dǎo)軌軸線方向滑動(dòng)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(jī)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(shí)，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)向一根導(dǎo)軌供電，經(jīng)過(guò)電樞流向另一根導(dǎo)軌。強(qiáng)大的電流流經(jīng)兩平行導(dǎo)軌，在兩導(dǎo)軌間產(chǎn)生強(qiáng)大的、方向相反的線性磁場(chǎng)，并與電樞形成的第三個(gè)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力。電磁力推動(dòng)電樞和置于電樞前面的彈丸沿導(dǎo)軌做加速運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得很高的初速度，彈丸將沿導(dǎo)軌向外運(yùn)動(dòng)直到從炮口末端發(fā)射出去。

3.結(jié)束語(yǔ)

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(cè)車(chē)速、電磁加速方面的應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)在理論知識(shí)的同時(shí)還能擴(kuò)大了視野，在提高他們學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也能引發(fā)他們的思考。

【參考文獻(xiàn)】

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