实验磁悬浮演示器的制作

杨荣生

摘要：介绍了用霍尔元件制作磁悬浮演示器的原理、方法和实验的效果。

关键词：霍尔元件；磁悬浮；演示器

中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148(2012)4(S)-0055-2

在带领物理兴趣小组开展新课标人教版高中物理选修3-1的课题：《霍尔效应》的研究过程中，为增强学生对课外活动的兴趣，进一步拓展和延伸课题，笔者指引学生利用现在常用的集成化更高，适用性更强的三脚霍尔元件设计制作了一个不算复杂的电子装置，来演示磁悬浮这种不寻常的科学现象。通过制作提高了学生动手能力增强了物理兴趣，也体现了新课标的理念，反响非常好。介绍如下：

1工作原理

小磁柱的轻微扰动会导致空间磁场变化，霍尔元件把这个变化感应成线性电压信号进行反馈。通过运算放大器LM324进行两级放大，两个470K电阻R1、R2构成的分压电路给运放提供一个直流偏压，使其工作在放大区并能调节静态工作点。200K电位器R3的作用是调节霍尔元件信号的平衡位置，500K电位器R5的作用是调节控制电路的灵敏度或者说是调节前级放大倍数，防止后面的放大电路饱和。两级运放间RC是微分控制，它可以根据小磁柱的速度来改变线圈电流的大小，让线圈的磁场对小磁柱的控制更加稳定。如果不加电容，就只根据小磁柱位置来改变了，稳定性要差些。

霍尔元件的反馈信号被两级运放和三极管放大了很多倍，只要磁场一有扰动，就会驱动线圈电流变化让小磁柱趋于恒定。小磁柱在空中受重力和磁力作用，当小磁柱处于某个高度时，电路使重力和磁力平衡。当小磁柱高于这个高度时，电路使线圈磁力小于重力，从而使小磁柱有下落趋势。反之，低于这个高度，电路使线圈磁力增大，小磁柱就有上升趋势。使得小磁柱能在一定的扰动范围内保持平衡。

2器材的准备

R1、R2、R4、R6、R7、R8均为1／4W碳膜电阻，R3、R5为1／4W可调电位器；C1：1uF无极性电解电容：三极管：9013；IC：四运算放大器集成块LM324，若手头没有可用其它型号代替，双运放也行。线性霍尔元件是3503，也可以用别的型号，但必须是线性输出的，开关型的不能用。关于霍尔元件的接法，实际连接时应该把有字的一端朝向自己。三个管脚从左到右依次为电源正极、地、信号输出。

被悬浮的是磁力强体积小的高强磁性钕铁硼磁钢小磁柱，普通磁铁的磁性不够不能用。为了使演示的视觉效果会更好，推荐使用球形的钕铁硼磁铁小磁钢。线圈自己绕制，不必绕那么多圈，但是绕得越多越省电，磁力不会明显提高。绕制时记住线圈的绕向并作好标记，通电时可确定其N、S极。线圈不加铁芯防止磁饱和。做好后在线圈挡板处加一块铝板。

3仪器的制作

电路部分的元件不多，但为了提高仪器的稳定性和电路的可靠性可以将各元器件焊接在印刷电路板上，各接点用电烙铁焊牢。

制作电磁线圈：找一个绕焊锡丝的塑料模。把长度为15-20米，线径为0.2毫米的漆包线密绕在这个模上。在线圈端面前加一块铝片，铝片内形成的涡流能够使小磁铁的悬浮更加平稳，其作用类似于电容的微分控制。线圈做好后试验一下，接上大约5伏直流电，在小磁铁上方1厘米处应该能把它吸上来。

制作支架：如上图所示，无需多说，制作好之后在底板上用胶固定好霍尔元件，使霍尔元件有字的一面朝上且平面与底板平行。

电源采用4节5号干电池6伏供电，装在电池夹内。开关、可调电阻器安装在电路板上方便调节的位置，装在一个方形的半敞开盒子里。

4仪器的调试

自上而下，线圈上端为N极下端为S极，小磁柱上端为N极下端为S极，线性霍尔元件3503有字的一面朝上(或者全部反之)。当线圈的电流较小时，小磁柱往下落S极靠近霍尔元件，霍尔元件输出一高电压经放大使线圈电流增大磁性增强，小磁柱往上吸。反之，当线圈的电流较大时，小磁柱往上升S极远离霍尔元件，霍尔元件输出一低电压经放大使线圈电流减小磁性减弱，小磁柱往下落。直到小磁柱在一个合适的位置稳定下来。

调试时，先把R5调到最大，把小磁柱放在线圈下让它吸住。从正到负调节R3直至小磁柱慢慢离开线圈但不落地。同时调节R5使小磁柱更加稳定，然后边观察边微调R3、R5，最终使小磁柱能稳定悬浮在线圈下1厘米处。两个可变电阻的阻值必须调试到合适才能悬浮且稳定。在演示时，可以轻轻晃动装置，用纸、塑料片等从小磁柱与线圈之间穿过，甚至用手指轻轻触碰小磁柱，它都能保持悬浮状态，效果非常好。

参考文献：

[1]全日制义务教育物理课程标准[J]物理教学探讨，2002(1)：4-6

(栏目编辑王柏庐)