电磁教学中的应用探讨

苏向英

【摘 要】本文探讨了电磁理论在生活、科技方面的应用，主要介绍了霍尔效应测车速及电磁加速，包括回旋加速器和电磁轨道炮，可以使学生在学习理论的同时认识到理论是可用的。

【关键词】电磁理论;霍尔效应;电磁加速

电与磁是两千多年前就已经发现了的自然现象，而且发现磁现象早于电现象。我国还是发现天然磁铁最早的国家之一。电和磁现象有着广泛的应用，例如静电除尘、静电喷涂、静电陀螺仪等对电场的應用，古代的“司南勺”、磁控溅射等对磁场的应用。当然，电与磁有着密不可分的联系，麦克斯韦将电磁统一在一起形成了基本的电磁理论，是经典物理中的一个重要的部分。在普通物理的教学上，我们要让学生对这部分知识有比较全面的认识。同时这部分理论也是生活、科技等方面应用的基础，我们也希望学生能够多加认识和了解。

1.霍尔效应测车速

1.1霍尔效应的原理

著名物理学家霍尔于1879年郑重宣布了他最新研究的关于磁场和感应电压之间的关系。如下图所示，他发现如果给磁场中的导体加以电流时，导体内部的电子与空穴受到垂直于电流方向的磁场的作用，在洛伦兹力的作用下，电子与空穴会往不同的方向运动并分别聚集在导体的上下两个表面，而这些上下表面的电子与空穴之间就形成了电压，从而在导体内部形成一个向下的电场，这个电场又对电子和空穴产生电场力，从而抵消掉磁场给它们的洛伦兹力，那么电子与空穴就会源源不断的通过导体而不发生偏转，导体的上下表面会形成一个稳定的电势差，这就是伟大的影响后世数百年的霍尔效应。

1.2霍尔效应测车速

继霍尔效应被实验证明以后，科学家们便将霍尔效应充分利用起来。最为重要的一项成果就是将霍尔效应与传感器技术结合起来，生产出一系列霍尔传感器。

霍尔传感器因其功能不同，所以大体上可归结为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两大类。线型霍尔传感器一般以模拟信号为主要研究对象;开关型霍尔传感器一般以数字信号为主要研究对象。除此之外，霍尔传感器还可以归结为直接应用和间接应用两种测量类型。直接应用类不需要载体就能直接测磁场，间接应用则需要借助一些中介载体进行测量，从而将一些既不是电又不是磁的物理信号，像转速、流量、热容等转换为电信号测量。

霍尔传感器可对汽车行驶的速度进行测量，它先接收信号源发出的电子信号，再将电子信号转换为脉冲信号，再将脉冲信号经过单片机模块进行转速信号处理，最终以汽车车速的数字量信号显示，这样就能够实时地反映汽车车速的变化情况。

如下图所示，把一块磁钢放置在一个大的圆盘上，再将霍尔传感器放在圆盘一边，同时给线圈通以电流。一旦有磁场通过，就会产生电压，只有在没有磁场时，才不会产生电压。圆盘转动时，霍尔传感器会把检测到的信号转化为脉冲信号，这样就可以测出转数了。

只要测出n次脉冲电压发出的总时间T，就能测出角速度

ω=2π（n-1）/T

再根据v=ωR，可以求出T时间内车轮的线速度，R为车轮半径。

2.电磁加速

2.1回旋加速器

回旋加速器的构造十分简单，其最重要的组件是由两个金属做成的D形状的盒子，这两个盒子具有屏蔽的作用。回旋加速器的工作原理是在盒上加上磁场，使电子做圆周运动，在盒上加上交变电流就能在D缝处对电子进行反复加速。

2.2电磁轨道炮

我们知道放在一起的两根通电导线之间会存在相互作用，即安培力。而且如果两根导线中的电流是同向的，它们间产生的是相互吸引的作用，如果两根导线中的电流是反向的，那么它们间产生的将是相互排斥的作用。这也是电磁轨道炮的应用基础。

目前我们向太空发送物资的方式是燃料式火箭，然而，当我们开发月球和小行星时，因为那里不具备用于常规火箭的燃料源，所以需要更有效的方式。电磁发射装置可能是个解决方案。它是一种小型样机，即电磁轨道炮。电磁轨道炮是抵用电磁加速技术发射弹丸的一种电能武器。在发射过程中，强大的电磁力（洛伦兹力）使弹丸以极高的初速度分离炮管口，这种初速度比常规化学推进剂发射的弹丸的初速度要高得多，并且射程也要远。

如下图所示，电磁轨道炮由两根相当炮管长短的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向滑动的电枢组成，弹丸放置在电枢前面的导轨上形成闭合回路。导轨、电容器与旋转电机构成的脉冲形成网络相联结。当发射弹丸时，脉冲形成网络向一根导轨供电，经过电枢流向另一根导轨。强大的电流流经两平行导轨，在两导轨间产生强大的、方向相反的线性磁场，并与电枢形成的第三个磁场相互作用，产生强大的电磁力。电磁力推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿导轨做加速运动来获得很高的初速度，弹丸将沿导轨向外运动直到从炮口末端发射出去。

3.结束语

电磁理论是自然界的基本理论之一，不仅是自然科学的一部分，也在生活、科技等方面有着重要的应用。本文探讨了电磁理论在霍尔效应测车速、电磁加速方面的应用，学生学习在理论知识的同时还能扩大了视野，在提高他们学习兴趣的同时也能引发他们的思考。

【参考文献】

[1]殷苏民，陆文俊.霍尔式轮速传感器功能测试系统设计[J].传感器与微系统，2014，13（06）：11-13

[2]于京生，容旭巍.汽车速度测量系统的智能化设计[J].微计算机信息，2008，13（23）：6-8