CN210639834U - 一种定量探究霍尔效应的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种定量探究霍尔效应的装置，它包括工作电流调节与测量电路以及霍尔电压测量电路，还包括励磁线圈与励磁电流控制电路；所述励磁线圈与励磁电流控制电路替代外加磁场，产生垂直于霍尔元件的匀强磁场；所述工作电流调节与测量电路中利用数字毫伏表替代电压表；所述霍尔电压测量电路中利用数字毫安表替代电流表；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各部分组成元件集成在同一平面上。本实用新型的定量探究霍尔效应的装置采用的数字电表在测量时既方便又准确；将各电路元件集成在同一面板，提高实验成功率，节约了操作时间，满足了高效课堂的教学需要。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种定量探究霍尔效应的装置。
背景技术
人教版高中物理教材选修3-1，课题研究编目部分唯一内容是“霍尔效应”。开展此课题研究，对于培养学生物理学科核心素养具有重要意义，但就当前高中物理教学实际而言，很少有学校开展这一课题的研究，主要原因在于缺乏具体可操作性强的方案，缺少与实验要求匹配的实验器材，也缺少具体的研究目的和内容。
基于培养学生物理学科核心素养，创新设计制作物理实验装置，探究了霍尔元件两侧电势高低与电流方向及磁感应强度方向的关系，对霍尔电压大小与工作电流大小及磁感应强度大小的关系进行了定量探究，从而设计本实用新型的定量探究霍尔效应的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种定量探究霍尔效应的装置。
为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种定量探究霍尔效应的装置，它包括工作电流调节与测量电路以及霍尔电压测量电路，其特征在于：还包括励磁线圈与励磁电流控制电路；所述励磁线圈与励磁电流控制电路替代外加磁场，产生垂直于霍尔元件的匀强磁场；所述工作电流调节与测量电路中利用数字毫安表替代电流表；所述霍尔电压测量电路中利用数字毫伏表替代电压表；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各部分组成元件集成在同一平面上。
进一步的，所述工作电流调节与测量电路包括通过导线连接，串联在同一电路中的直流电源、数字毫安表、调节电位器以及霍尔元件，通过调节电位器调节电阻的大小从而改变电路中电流的大小。
再进一步的，所述霍尔电压测量电路包括通过导线连接，串联在同一电路中数字毫伏表以及霍尔元件，通过数字毫伏表显示霍尔元件两侧的电动势。
更进一步的，所述励磁线圈与励磁电流控制电路包括通过导线连接，串联在同一电路中的可调电源以及励磁线圈，通过调节可调电源控制励磁线圈的励磁电流从而改变匀强磁场的强弱以及方向。
特别的，所述励磁线圈是由在长2.5cm、直径1.5cm的PVC塑料管上用直径0.26mm的漆包线绕500匝，并在PVC管中心放软铁芯绕制而成。
特别的，所述霍尔元件用胶水固定在励磁线圈的外横截面上。
特别的，还包括下方设置两组支撑腿的展示板；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各部分组成元件嵌入展示板内并固定；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各电路连接处通过电极端子与接线端子相互连接而成。
综上所述本实用新型具有以下有益效果：本实用新型基于培养学生物理学科核心素养，创新设计制作物理实验装置，探究了霍尔元件两侧电势高低与电流方向及磁感应强度方向的关系，对霍尔电压大小与工作电流大小及磁感应强度大小的关系进行了定量探究，数字电表在测量时既方便又准确；将工作电流调节与测量电路、励磁线圈与励磁电流控制电路、霍尔电压测量电路三部分优化集成在同一面板，提高实验成功率，节约了操作时间，满足了高效课堂的教学需要；制作材料易得，制作简单，使用方便，直观性很好，为开展霍尔效应这一课题研究提供了一个切实可行的方案。
附图说明
图1为霍尔元件原理图；
图2为本实用新型原理图；
图3为本实用新型结构示意图；
图4，图5，图6，图7为定量方向探究霍尔效应的原理图；
图8是霍尔电压与工作电流大小的关系图；
图9是霍尔电压与励磁电流大小的关系图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。
请参阅图1所示，当有垂直于导体向里的匀强磁场B，导体沿a到a’方向通电流时，即导体中的自由电子从a’到a的方向定向移动，设移动速率为v，导体单位体积内自由电子数目为n，电子电量为e，导体h和h’两侧面间距为d，上下两侧面间距为δ。
霍尔元件中自由电子所受洛伦兹力F=evB，自由电子向h一侧运动，h一侧累积了负电荷，同时h’一侧累积了正电荷，产生由h’指向h的电场E，霍尔电压Uh’h>0，
当eE=evB，即E=vB，
则Uh’h=vBd，
由I=nedδv推知。
我们设计的实验装置能定量探究Uh’h∝I，Uh’h∝B，并探究霍尔元件两侧电势高低与电流方向及磁感应强度方向的关系。
所述的霍尔元件A采用HW-302B四脚霍尔元件，最大工作电流约3.6mA，霍尔电压UH最大值为204mV。其中两脚为电流输入端，即a、a’，其他两脚为霍尔电压输出端，即h、h’。霍尔电压测量部分由数字毫伏表（量程3V，精度0.1mV）与两带鳄鱼夹引线（接线端子）组成，可测量霍尔电压大小及判定电势高低端。
请参阅图2、3所示，一种定量探究霍尔效应的装置，它包括工作电流调节与测量电路1以及霍尔电压测量电路2，还包括励磁线圈与励磁电流控制电路3；励磁线圈与励磁电流控制电路3替代外加磁场，产生垂直于霍尔元件的匀强磁场；工作电流调节与测量电路中1利用数字毫安表1-1替代电流表；霍尔电压测量电路2中利用数字毫伏表2-1替代电压表；工作电流调节与测量电路1、霍尔电压测量电路2以及励磁线圈与励磁电流控制电路3各部分组成元件集成在同一平面上。
工作电流调节与测量电路1包括通过导线连接，串联在同一电路中的直流电源1-2、数字毫安表1-1、调节电位器1-3以及霍尔元件A，通过调节电位器1-3调节电阻的大小从而改变电路中电流的大小。
霍尔电压测量电路2包括通过导线连接，串联在同一电路中数字毫伏2-1表以及霍尔元件A，通过数字毫伏表2-1显示霍尔元件两侧的电动势。
励磁线圈与励磁电流控制电路3包括通过导线连接，串联在同一电路中的可调电源3-1以及励磁线圈3-2，通过调节可调电源3-1控制励磁线圈3-2的励磁电流从而改变匀强磁场的强弱以及方向。
励磁线圈3-2是由在长2.5cm、直径1.5cm的PVC塑料管上用直径0.26mm的漆包线绕500匝，并在PVC管中心放软铁芯绕制而成。
霍尔元件A用胶水固定在励磁线圈3-2的外横截面上。
另外，定量探究霍尔效应的装置还包括下方设置两组支撑腿4的展示板5；工作电流调节与测量电路1、霍尔电压测量电路2以及励磁线圈与励磁电流控制电路3各部分组成元件嵌入展示板5内并固定；工作电流调节与测量电路1、霍尔电压测量电路2以及励磁线圈与励磁电流控制电路3各电路连接处通过电极端子（接线柱）与接线端子（带鳄鱼夹引线）相互连接而成。
利用本实用新型定量探究霍尔效应的原理：
（1）探究霍尔元件两侧电势高低与工作电流方向及磁场方向的关系
励磁线圈接线柱b接电源正极，b’接负极，此时磁场垂直于霍尔导体向里。当工作电流方向为a到a’时，测得Uh’h>0，即Uh’>Uh，h’端比h端的电势高，如图4所示；改变工作电流的方向为a’到a，测得Uhh’>0，即Uh>Uh’，h端比h’端的电势高，如图5所示；励磁线圈接线柱b’接电源正极，b接负极，此时磁场垂直于霍尔导体向外。当工作电流方向为a到a’时，测得Uhh’>0，即Uh>Uh’，h端比h’端的电势高，如图6 所示；改变工作电流的方向为a’到a，测得Uh’h>0，即Uh’>Uh，h’端比h端的电势高，如图7所示。
（2）探究霍尔电压与工作电流大小的关系
霍尔元件的工作电流接线柱a接A+，a’接A-，霍尔电压接线柱h接U+，h’接U-，励磁线圈接线柱b接电源正极，b’接负极。励磁电流保持Ib=0.3A，改变霍尔元件的工作电流I，测量相应的霍尔电压数值，如表1所示，线性回归后得到关系图8：
表1 霍尔电压与工作电流大小的关系
（3）探究霍尔电压与励磁电流大小的关系
各接线柱连接方式与3.2中一致。霍尔元件的工作电流保持I=1mA，改变励磁电流Ib的大小，测量相应的霍尔电压数值，如表2所示，线性回归后得到关系图9：
表2 霍尔电压与励磁电流大小的关系
以上所举实施例为本实用新型的较佳实施方式，仅用来方便说明本实用新型，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本实用新型所提技术特征的范围内，利用本实用新型所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本实用新型的技术特征内容，均仍属于本实用新型技术特征的范围内。
Claims (7)
1.一种定量探究霍尔效应的装置，它包括工作电流调节与测量电路以及霍尔电压测量电路，其特征在于：还包括励磁线圈与励磁电流控制电路；所述励磁线圈与励磁电流控制电路替代外加磁场，产生垂直于霍尔元件的匀强磁场；所述工作电流调节与测量电路中利用数字毫安表替代电流表；所述霍尔电压测量电路中利用数字毫伏表替代电压表；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各部分组成元件集成在同一平面上。
2.根据权利要求1所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：所述工作电流调节与测量电路包括通过导线连接，串联在同一电路中的直流电源、数字毫安表、调节电位器以及霍尔元件，通过调节电位器调节电阻的大小从而改变电路中电流的大小。
3.根据权利要求1所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：所述霍尔电压测量电路包括通过导线连接，串联在同一电路中数字毫伏表以及霍尔元件，通过数字毫伏表显示霍尔元件两侧的电动势。
4.根据权利要求1所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：所述励磁线圈与励磁电流控制电路包括通过导线连接，串联在同一电路中的可调电源以及励磁线圈，通过调节可调电源控制励磁线圈的励磁电流从而改变匀强磁场的强弱以及方向。
5.根据权利要求4所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：所述励磁线圈是由在长2.5cm、直径1.5cm的PVC塑料管上用直径0.26mm的漆包线绕500匝，并在PVC管中心放软铁芯绕制而成。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：所述霍尔元件用胶水固定在励磁线圈的外横截面上。
7.根据权利要求6所述的一种定量探究霍尔效应的装置，其特征在于：还包括下方设置两组支撑腿的展示板；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各部分组成元件嵌入展示板内并固定；所述工作电流调节与测量电路、霍尔电压测量电路以及励磁线圈与励磁电流控制电路各电路连接处通过电极端子与接线端子相互连接而成。
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| CN112164290A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-01-01 | 杨天宇 | 一种新型霍尔效应实验仪 |
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