探究霍尔电压的自制实验仪及其使用

胡惠琪 刘健智

（湖南师范大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081）

“传感器及其工作原理”是一节物理规律实验课.《普通高中物理课程标准（2017年版）》对该节课的内容要求是：“知道非电学量转换成电学量的技术意义”“通过实验，了解常见传感器的工作原理”“例：通过热敏电阻实验，了解温度传感器的工作原理”.［1］人教版高中物理选修3-2教材“传感器及其工作原理”一节［2］基本上落实了上述要求，但关于霍尔元件的实验探究，教材中的方案仍有许多不足.在对教材和知网上其他实验方案进行分析后，我们设计并自制了探究霍尔电压实验仪.

1 教材和已有实验的不足

1.1 人教版教材中的不足

人教版物理选修3-2“传感器及其工作原理”一节介绍了三种敏感元件：光敏电阻、热敏电阻和霍尔元件.关于前两种敏感元件，教材专门设置了“实验”，探究其工作原理，但关于霍尔元件，教材只设置了“做一做”，意图让学生自己动手探究霍尔电压.由于霍尔元件体积微小、磁灵敏距离短等缘故，导致关于霍尔元件的实验难以操作.再加上霍尔元件有多个引脚，与普通的两个引脚的电阻不同，学生对其比较陌生，给实验增加了难度.查阅知网上关于本节内容的教学设计后知大多数高中物理教师都没有开展探究霍尔电压的实验.这也许是因为课标中没有明确要求要通过实验探究霍尔元件的工作原理所导致的.但是，关于霍尔元件的探究学习，不仅出现在选修3-2中，选修3-1还专门设立一个课题进行研究，其中也要求探究并推导霍尔电压与磁感应强度与其他物理量的关系.［3］可见，关于霍尔元件的探究学习，是能培养学生科学探究能力的有利内容.

再者，在教材“做一做”中，保持通过霍尔元件的电流恒定，改变磁体与元件工作面的距离与夹角，观察霍尔电压的变化，如图1所示.这在理论上是可行的，但存在以下3点不足：① 没有明确指出所需霍尔元件的型号，只是简单说“取图中所示的霍尔元件”，而图中有两种型号不一致的霍尔元件.霍尔元件型号众多，不同型号之间霍尔电压的差别较大，可能导致霍尔电压大小超过200 m V的多用电表量程；② 只对霍尔电压与磁感应强度之间的关系进行探究，未提及霍尔电压与电流之间关系的探究；③ 通过改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角探究霍尔电压与磁感应强度的关系过于理想化.现实中，霍尔元件的工作面不一定平行或垂直于其外壳表面，并且磁感线也是一种理想化的模型，其分布与磁体的形状有关，因此在改变夹角时，无法断定此时磁感应强度的变化情况.

图1 教材中探究霍尔电压的实验原理

1.2 现有改进实验的不足

针对霍尔电压的探究性教学，知网上有一些文章给出了改进后的实验仪器与方案.

例如周亚文的利用DIS探究霍尔效应装置，如图2所示.［3］该实验将霍尔元件与电阻箱、干电池串联，再将微电流传感器与霍尔元件的霍尔电压输出端串联，用霍尔电流的大小间接反映霍尔电压的大小.另外，将磁场传感器的探头和霍尔元件捆绑在一起，用以探测霍尔元件工作面处的磁感应强度大小.这套实验装置的亮点在于采用了DIS技术，使得磁感应强度可视化、数字化，但仍存在以下不足：① 霍尔元件用半导体材料制成，内部结构复杂，欧姆定律对其不适用，因此，用霍尔电流的大小间接反映霍尔电压的大小缺乏理论依据；② 磁场传感器的原理为霍尔效应，利用霍尔效应探究霍尔效应，不符合科学认知的规律；③ 磁场传感器探头的体积比霍尔元件的体积大得多，磁场传感器显示的磁感应强度大小并不一定是霍尔元件工作面处的真实大小；④ 工作电流无法测量，不能探究霍尔电压与工作电流的关系，探究的全面性有待提高.

图2 利用DIS探究霍尔效应的实验原理

例如王志斌等的自制教具，如图3所示.［4］该装置将霍尔元件与电位器、干电池、毫安表串联，形成工作电流调节与测量电路，再将毫伏表与霍尔元件的电压输出端连接，形成霍尔电压测量电路.另外，用励磁线圈与可调可读电源代替永磁体，通过调节励磁电流大小间接调节磁感应强度大小，形成励磁电流控制电路，这也是这套自制教具的亮点.虽然，这套装置能较完整地探究霍尔电压与磁感应强度、工作电流的关系，但教学难度过大.根据毕奥-萨伐尔定律，线圈产生的磁感应强度与励磁电流的大小成正比，因此，以励磁电流的大小间接代表磁感应强度的大小是有理论依据的，但高二学生对其原理不甚了解，再加上学生原本对霍尔效应比较陌生，这在某种程度上增加了实验的理解难度，容易触发学生的畏难情绪.

图3 自制教具探究霍尔效应的实验原理图与实物图

1.3 在现有实验基础上的改进

为了使探究霍尔电压的实验具有更强的可操作性和更大的教学意义，笔者结合现有实验各自的优点，自制了一款探究霍尔电压的实验仪.该实验仪器在2019年的第十一届“格致杯”全国物理师范生教学技能交流展示活动中获得教具创新二等奖，利用该实验仪器进行的“传感器及其工作原理”说课与片断教学比赛获得一等奖.

2 自制实验仪器的介绍

2.1 自制实验仪的原理

根据霍尔效应，当有电流穿过时，霍尔元件中的载流子会运动，如图4所示.若垂直于电流方向有磁场，电子会因受到洛伦兹力而发生偏转，在元件的一侧聚集，形成低电势，而相对的另一侧则形成高电势.两侧之间的电势差大小为霍尔电压.若要探究霍尔电压与工作电流的关系，应在电路中串联阻值合适的滑动变阻器使得工作电流可以在一定范围内连续变化.若要探究霍尔电压与磁感应强度的关系，则需要能表征磁感应强度变化的工具，如上文王志斌等的自制教具中，利用励磁电流表征磁感应强度的变化.为了降低实验的理解和操作难度，笔者用条形磁铁到霍尔元件工作面的距离表征磁感应强度的变化.此外，霍尔元件的工作电流输入端还需要与选择了200 m V电流挡的多用电表串联，霍尔电压输出端与选择了200 m V电压挡的多用电表并联.实验原理如图5所示.

图4 霍尔效应原理图

图5 自制实验仪原理图

2.2 自制实验仪的选材

自制探究霍尔电压实验仪的关键是选择型号合适的霍尔元件.由于霍尔元件体积微小，不便接入电路，也不便于学生观察实验操作过程，故实验辅助材料和展示平台的选择也至关重要.

（1）霍尔元件的选择.

市面上的霍尔元件多为三引脚，这并不利于学生构建霍尔元件的模型.根据霍尔效应，霍尔元件应该具有工作电流出入端和霍尔电压出入端，共四个引脚.因此，本实验应采用四引脚霍尔元件.再者，霍尔元件输出电压的大小会因其型号的不同而存在差异，且多为毫伏级别，但多用电表只有200 m V的电压挡，所以，本次实验选择型号为HW302A-HW302D的霍尔元件.

（2）辅助材料的选择.

由于霍尔元件体积微小，约2 mm3，且引脚十分短，会造成接线困难.因此，本实验利用金属导线丝缠绕霍尔电压输出端的两个引脚，并把金属导线丝的另一端绕成小线圈方便其与电压表笔相连接.元件的电流输入输出端用鳄鱼线夹入电路.另外，为了固定元件，使得磁感线垂直穿过元件，还需将缠绕了金属丝的两引脚弯曲90°，并插入一块橡皮擦中，使得元件中心高度与磁铁中心高度一致.最后，将橡皮擦固定在刻度尺上，并令霍尔元件恰好位于某刻度线处，如图6所示.

图6 霍尔元件的处理方式

（3）展示平台的选择.

由于霍尔元件体积微小，磁灵敏距离短，约10 mm，实验的可视度不高.为了让学生认识真实的霍尔元件，看清楚实验操作以及数据变化.我们利用Apower Mirror电脑投屏软件，将实验画面投影到大屏幕上，如图7所示.

图7 Apower Mirror电脑投屏场景

整套实验仪共需要以下器材：HW-302B霍尔元件、200Ω滑动变阻器、多用电表两台、刻度尺、条形磁铁、橡皮擦、干电池、金属导线丝、导线若干（带鳄鱼夹）、智能手机（安装Apower Mirror投屏软件）、手机支架.此外，还需要周围无其他强磁场的实验环境.

2.3 自制实验仪的制作

（1）霍尔电压测量电路.

首先将型号为HW-302B的四引脚霍尔元件的两个霍尔电压输出端（引脚“1”“3”）弯折90°（如图8所示），再准备两段细金属导线丝，分别将其一端缠绕在两个霍尔电压输出端引脚上（注意两段金属导线丝不能接触），并将缠绕好导线丝的霍尔电压输出端引脚插入橡皮擦中，固定霍尔元件的位置，使得霍尔电压工作面基本对准并平行于条形磁铁N极的中心位置.然后，用胶布把橡皮擦缠绕在直尺的一端，使得霍尔元件的工作面恰好在某一条刻度线上.最后，将两段金属导线丝的另一端缠绕在多用电表的红黑表笔上（如图6所示）.由于该型号的霍尔元件的霍尔电压最大值约为236 m V，因此，将多用电表挡位调至200 m V挡，从而组成霍尔电压测量电路.

图8 霍尔元件结构图

（2）工作电流调节与测量电路.

用鳄鱼夹导线，将5号电池（1.5 V）的正极与霍尔元件的工作电流输入端（引脚“2”）串联，将霍尔元件的工作电流输出端（引脚“4”）与滑动变阻器（200Ω，1.25 A）的下端接线柱串联，然后将另一多用电表的红表笔固定在滑动变阻器另一端的上端接线柱处，最后将黑表笔与5号电池的负极相连.由于该型号霍尔元件的工作电流最大值约为20 m A，因此，将用以测量工作电流大小的多用电表挡位调为200 m A电流挡，从而组成工作电流调节与测量电路，如图9所示.

图9 自制实验仪实物图

（3）实验展示平台的搭建.

在智能手机和电脑里下载Apower Mirror投屏软件，再用数据传输线连接电脑和手机，打开软件，开始投屏.利用手机支架固定手机，使其摄像头对准实验仪器.此时，实验画面就会呈现在电脑里，达到放大实验画面的效果，如图7所示.

2.4 自制实验仪的使用

（1）实验准备.

根据控制变量法，设计实验方案，探究影响霍尔电压大小的因素.按照电路图连接各个器件，打开两个多用电表，并调至合适的挡位.打开Apower Mirror电脑投屏软件，调整好摄像头.

（2）实验过程.

（a）探究磁感应强度是否影响霍尔电压的大小.

① 分别将磁铁放置于霍尔元件前方10 mm、8 mm、6 mm、4 mm、2 mm 处；

② 微调滑动变阻器滑片位置，使得电路中电流值不变；

③ 读取稳定状态下霍尔电压大小，记录数据；

④ 依次减小磁铁与元件之间的距离，重复实验，分析实验数据.

（b）探究工作电流是否影响霍尔电压的大小.

①将磁铁固定在霍尔元件前方5 mm处；

② 移动滑动变阻器，改变电流值大小；

③读取稳定状态下的电流和霍尔电压大小，记录数据；

④ 重复实验，分析实验数据.

（c）探究元件材料是否影响霍尔电压的大小.

①将磁铁固定在霍尔元件前方5 mm处，固定滑动变阻器的滑片；

②将锑化铟霍尔元件接入电路；

③记录稳定状态下的霍尔电压大小；

④将砷化铟霍尔元件接入电路；

⑤微调滑动变阻器滑片位置，使得电流与上一组实验相等；

⑥记录稳定状态下的霍尔电压大小；

⑦ 重复实验，分析实验数据.

2.5 自制实验仪的使用效果

该实验操作简单方便，而且实验数据稳定，可重复性好.可以轻松得出霍尔电压与电流、磁感应强度呈正相关的实验结论，还能用以探究材料对霍尔电压的影响，即探究不同材料的霍尔系数的大小关系，达到了“一体多用”的效果.部分实验数据如表1和表2所示.

表1 探究I是否影响U H 大小的实验数据

表2 探究B是否影响U H 大小的实验数据

3 自制实验仪的优点与教学价值

3.1 自制实验仪的优点

该自制的探究霍尔电压实验仪，在教材和现有实验设计的基础上进行改进，完善了实验方案.

（1）材料易得，组装很简捷.

所需器材，如多用电表、金属导线丝、刻度尺等，均为实验室常用的仪器，十分易得.另外，与王志斌等的自制教具［4］对比，该自制实验仪用刻度尺量得的磁铁到元件的距离表示磁感应强度的大小，比用励磁电流的大小表示励磁线圈产生的磁感应强度大小更加直观，便于理解，且器材的组装更简便.再者，该自制实验仪用金属导线丝缠绕元件引脚将元件接入电路，解决了由于霍尔元件体积微小、引脚短带来的不便.这种加工处理霍尔元件的方式，比焊接法（将元件引脚焊接在线路板上）更加方便简捷，更加安全.［5］

（2）操作简单，可视程度高.

探究霍尔电压与工作电流的关系时，只需移动滑动变阻器的滑片即可改变工作电流；探究霍尔电压与磁感应强度的关系时，只需在直尺上移动条形磁铁即可.并且，采用投屏软件将实验画面放大，学生能清楚地看到霍尔元件的结构、电路结构以及操作过程.

（3）效果明显，可重复性强.

通过反复的实验，发现这套实验仪的实验数据稳定，实验数据能明显地体现出霍尔电压与工作电流成正比、与磁感应强度也成正比的实验结论，是一套有效探究影响霍尔电压因素的实验仪器.

3.2 自制实验仪的教学价值

通过实验探究学习物理概念、规律或定律，不仅能培养学生模型构建、科学推理、科学论证等科学思维，提高学生的方案设计、归纳总结等科学探究能力，还能深化学生对物理知识的理解.因此，探究式教学远比灌输式教学效率高.

（1）手脑并用，深化知识理解.

由于该自制实验仪的组装十分简捷，因此可以让学生根据霍尔效应区分霍尔元件的四个引脚；选择两个霍尔电压输出端引脚进行弯折，缠绕金属丝，与电压表笔相连形成霍尔电压测量电路.由此，可以加深学生对霍尔效应以及霍尔元件的工作机理的理解.再者，让学生动手组装实验电路，有助于学生对实验原理和非电学量转换成电学量的技术意义的理解，从而更好地达成课程标准中对该节的内容要求.

（2）设计方案，提高探究能力.

在组装该实验仪前，让学生猜想影响霍尔电压大小的因素，再根据猜想进行实验电路的设计和组装电路.接着，根据控制变量法的思想，设计实验方案，动手操作，记录数据.最后，分析数据、归纳总结.在利用该自制实验仪进行的探究活动中，学生主动思考，寻找解决问题的方案，并动手实验，得出结论，切实地培养了其科学探究能力.

4 结语

“霍尔元件及其工作原理”是较抽象的知识，且其实验操作难，可见性弱，需要通过实验创新，来增强可见性和可操作性，促进学生的理解.［6］为了提升学生物理学科核心素养，可以采用探究教学法突破该教学难点.学生在光敏和热敏电阻的学习中，已获得了探究敏感元件的经验，初步理解了非电学量转换成电学量的过程机理，因此，通过知识的迁移，学生可以自主设计实验，自制仪器，探究影响霍尔电压大小的因素.

根据教材中霍尔元件的相关内容，研究了知网上相关改进的实验后，设计并自制了探究霍尔电压实验仪.该实验仪具有组装简捷、操作简单、效果明显等优点，通过自主探究式学习，学生可以进一步理解各类传感器的工作原理：通过敏感元件将非电学量转换为电学量.学生在设计实验方案、组装实验仪器和简单的实验操作中，切实训练了科学思维，提高了科学探究能力，同时养成了良好的科学态度.