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霍爾效應(yīng) 2019-2020年新課標(biāo)教科版3-1選修三3.5《洛倫茲力的應(yīng)用》WORD教案1 背景資料： 1879年霍爾發(fā)現(xiàn)，處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)體板，當(dāng)電流的方向垂直于磁場(chǎng)時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的導(dǎo)體板的兩端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，如圖所示，出現(xiàn)的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差或霍爾電壓。實(shí)驗(yàn)指出，霍爾電勢(shì)差與通過(guò)導(dǎo)體板的電流I，磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B成正比，與板的厚度d成反比， （1） 式中k稱為霍爾系數(shù)。 霍爾效應(yīng)可用于測(cè)量磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度，也可以用于測(cè)量電流，特別是測(cè)量比較大的電流。 實(shí)驗(yàn)原理： 這次實(shí)驗(yàn)使用的是4引腳的半導(dǎo)體霍爾元件，型號(hào)為，1、3引腳為輸入口，也就是輸入電流必須通過(guò)1、3引腳流過(guò)霍爾元件，而且輸入電流一般都很小，基本上是幾個(gè)毫安的電流，以型號(hào)為例，最大輸入電流為。相對(duì)應(yīng)的2、4引腳就是輸出口，如果輸入口通入合適的輸入電流，霍爾元件放置在磁場(chǎng)中，那使用靈敏的電壓表測(cè)量2、4引腳間的電壓，就可以測(cè)到一個(gè)幾毫伏的電壓，這個(gè)電壓其實(shí)就是霍爾電壓。 但是顯然要用電壓傳感器直接測(cè)量?jī)啥说碾妷?，是不可行的，因?yàn)榛魻栯妷捍_實(shí)是太小了，不過(guò)可以通過(guò)另外的途徑解決這一問(wèn)題，如果把霍爾元件當(dāng)作一個(gè)有內(nèi)阻的電源，那在2、4引腳間串聯(lián)一個(gè)電阻和微電流傳感器，因?yàn)橛谢魻栯妷旱拇嬖?，那回路中就將有一個(gè)電流，也就是霍爾電流，為此處串聯(lián)的電阻，為回路霍爾電源的內(nèi)阻。當(dāng)輸入電流固定后，霍爾電壓與外界磁場(chǎng)變化是成正比的，，因?yàn)榛魻栯娏髋c霍爾電壓成正比，因此也可以說(shuō)霍爾電流與外界磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，，在本次實(shí)驗(yàn)中我們驗(yàn)證霍爾電流與外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的線性關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)裝置按下面的方式連接，選取，電源使用一個(gè)的干電池，這就是固定了輸入電流，把霍爾元件與磁場(chǎng)傳感器的感應(yīng)探頭固定在一起，然后放置在桌面上，使它們?cè)谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中靜止，把一塊大的磁鐵靠近或遠(yuǎn)離霍爾元件時(shí)，近似地認(rèn)為磁場(chǎng)傳感器測(cè)到的磁感強(qiáng)度就是霍爾片上的磁感強(qiáng)度，微電流傳感器測(cè)到的電流變化就是霍爾電流的變化，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)將兩組數(shù)據(jù)的關(guān)系表示出來(lái)，如果實(shí)驗(yàn)是成功的，那霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系就是線性的。 霍爾片引腳示意圖 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 觀察霍爾效應(yīng)，了解霍爾效應(yīng)中霍爾電壓與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)裝置： 計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，微電流傳感器，磁場(chǎng)傳感器，半導(dǎo)體霍爾元件，導(dǎo)線若干，干電池，電阻箱，磁鐵 實(shí)驗(yàn)步驟： 1．先把電阻箱的阻值調(diào)到，然后注意觀察霍爾片的引腳，區(qū)分出輸入口和輸出口，以型號(hào)為例，從霍爾片上有字母或序號(hào)的一端看下去，依次從左向右數(shù)，引腳的編號(hào)分別為1、2、3、4。1、3口是電流輸入口，把電阻箱與之串聯(lián)，如圖所示。 2．將數(shù)據(jù)采集器與微電流傳感器和磁場(chǎng)傳感器連接，然后將數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)入“TriE iLab”數(shù)字化信息系統(tǒng)。 3．把微電流傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸入端的導(dǎo)線短接，對(duì)微電流傳感器進(jìn)行校零，然后直接把它們接到霍爾片的2、4引腳。 4．在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中要注意不要使霍爾片引腳接線短接，以免損壞元件；把霍爾片的正面與磁場(chǎng)傳感器的探頭正面靠在一起，也可以用膠帶把它們固定好。 5．打開模板“霍耳效應(yīng)”，在采集間隔和采集數(shù)量窗口輸入合適的數(shù)值，點(diǎn)擊開始按鈕，將磁鐵的N極和S極分別靠近霍爾片，并注意不要使磁場(chǎng)傳感器測(cè)量值超出量程，實(shí)驗(yàn)結(jié)束以后點(diǎn)擊結(jié)束按鈕，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析： 1．霍爾電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系 從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，霍爾電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系的確是線性的，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都分布在擬合線的附近。 注意觀察到，在的時(shí)刻，磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電流為，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體霍爾片制造工藝并不是嚴(yán)格理想的，以為例，當(dāng)加入測(cè)試電流時(shí)，即使外磁場(chǎng)為0，還是有電壓輸出，這個(gè)電壓稱為不等位電壓。 2．霍爾電流隨時(shí)間的變化 3．外界磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化 這兩個(gè)圖象很相似。 新DIS實(shí)驗(yàn)： 以上兩幅圖中，上圖是霍爾電流隨時(shí)間變化的圖象，下圖是磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的圖象，這兩個(gè)圖象很相似，磁場(chǎng)增大，霍爾電流也增大，磁場(chǎng)減小，霍爾電流也減小。 上圖是霍爾電流與磁場(chǎng)的關(guān)系圖象，其擬合線是直線。 本此實(shí)驗(yàn)電池用1.5V兩節(jié)，即3V，電阻箱用電阻50.