霍尔效应实验及其在电梯中的应用

霍尔效应实验及其在电梯中的应用

郭娟 郜超军 张腊花

(郑州大学物理工程学院 河南郑州 450001)

摘 要:该文介绍了霍尔效应实验的原理，提出了实验操作中容易忽视的问题及解决办法，并总结了目前霍尔效应在电梯领域的各种应用。关键词：霍尔效应 实验操作 应用中图分类号:G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)12（b）-0060-02

Hall Effect experiment and its application in elevator

GUO Juan GUO Chaojun ZHANG Lahua

School of Physics and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001

Abstract:The experimental principle of Hall Effect experiment has been presented. The problems easy to be neglected in the experiment and their solutions have been listed.The current application of Hall Effect in elevator is introduced.Key words:Hall Effect;experimental operation;application

1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔研究载流导体在磁场中受力时发现了一种电磁现象，后来该现象被称为霍尔效应。霍尔效应不仅存在于金属导体中，同时也存在于半导体和导电流体(如等离子体)中，且半导体的霍尔效应比金属强得多。霍尔效应在科学实验和工程技术中有着广泛的应

用。利用霍尔效应可以测定半导体材料中载流子浓度、迁移率等重要参数，也可以判断半导体材料的导电类型，是研究半导体材料的重要手段。根据霍尔效应制成的传感器已广泛应用于非电量的电测量(磁场、位移、转速等的测量)、自动控制和信息处理等方面[1]。另外，霍尔效应也是物理学中最重要的物理现象之一，在诺贝尔物理学奖的历史上，与霍尔效应相关的工作共有两项：1980年德国物理学家冯·克利青及其合作者发现的整数量子霍尔效应(1985年获奖)以及1982年美籍华人科学家崔琦与其合作者发现的分数量子霍尔效应(1998年获奖)[2]。最近，我国科学家在拓扑绝缘体中实现了反常量子霍尔效应，这一工作不仅有望冲击诺贝尔物理学奖，而且也会给人类信息技术领域

带来变革。

霍尔效应实验是理工科最基础的大学物理实验之一，其实验原理和仪器操作都很简单，但是在实际的教学中发现，实验操作中有些问题容易被学生忽视，从而会大大增加实验的测量误差。文中对这些问题进行了阐述，同时总结了目前霍尔效应在电梯领域的各种应用。

1 霍尔效应实验

1.1 霍尔效应原理

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受到洛仑兹力作用而引起的。将霍尔元件垂直置于磁场中，如图1所示，若在AA方向上通以电流IS(称为工作电流)，霍尔元件内定向移动的载流子（以空穴为例）将受到垂直于工作电流和磁场方向的洛伦磁力作用而向D侧偏转，并使D侧形成正电荷积累，而相对于D侧形成负电荷积累，结果在DD方向上形成电场。这个电场同时又给载流子一个与fB反向的电场力fE的作用，随着电荷积累量的增加，fE增大，当两力大小相等时，即fE=fB，则电子积累达到动态平衡，这时在DD两端面之间建立稳定的电场称为霍尔电场EH，相应的

]

电势差称为霍尔电压UH。

图1 霍尔效应原理图

如(图1)所示，霍尔电压UH与工作电流

图2 霍尔传感器安装在轿厢底部的示意图

IS和外加磁场B的关系为

UH=KHISB （1）

其中KH为霍尔元件的灵敏度。

在测量霍尔电压UH时，会有四种副效应产生四个附加电压叠加在UH上，故采用对称变换测量法（即保持工作电流IS和磁场

B的大小不变，通过改变IS和B的方向来消

除副效应的影响）将其中的三个附加电压消除，另一个附加电压在适当的实验条件下，对霍尔电压UH的影响可以忽略。1.2 实验操作中容易忽视的问题

图3 测速装置示意图

虽然霍尔效应实验的操作很简单，但

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是在实际教学中发现，有些问题在实验时容易被忽视，可以总结为如下几条。

（1）霍尔元件位置的调节

在公式（1）中，要求外加磁场B和工作电流IS为垂直的关系，这样就要求霍尔元件和磁场要垂直，才能用公式（1）进行测量。由于用来提供磁场的电磁铁两极间并不是匀强磁场，只在中心位置两极间的磁力线才是垂直的，所以用公式（1）测量前要先把霍尔元件调节至电磁铁的气隙中心。在一些教材[3～4]中并未提及霍尔元件在电磁铁缝隙中的位置，有的教材虽然提到要把霍尔元件置于电磁铁气隙中心，但并没有给出用什么样的方法判断霍尔元件已经处在了电磁铁的气隙中心。虽然仪器上有二维移动标尺，但是标尺的刻度置于多少才表示电磁铁的气隙中心，这一点在一些教材中并没有提到。

根据公式（1）可知，当工作电流IS一定时，外加磁场B越大，所测得的霍尔电压UH也越大。显然，在电磁铁的气隙中心处磁场

2013 NO.35Science and Technology Innovation Herald科技创新导报电压会不会超量程；如果会超量程，可以将固定的电流（如IM）减小至适当值，使得另一电流（如IS）从测量范围的最小值变化至最大值时，霍尔电压不会超量程。做完这样的定性观察之后，再开始定量测量，以确保实验能够正常进行。

3 结语

在霍尔效应实验教学中，电磁铁气隙中心处，霍尔电压及磁场的测量误差大小与霍尔元件是否处在中心位置有较大关系。利用文中的调节方法，可以快速准确地将霍尔元件调节在电磁铁的气隙中心，以减小测量误差。实验中若通过先定性观察后定量测量的实验原则，可以确保在一定的电流测量范围内，霍尔电压不会超出仪器的显示范围，使得实验能够正常进行。基于霍尔效应实验原理的霍尔传感器在电梯的超载检测、运行速度检测及楼层显示等方面有着广泛的应用。

2 霍尔效应在电梯中的应用

人们基于霍尔效应原理制成的霍尔元件除了在汽车、计算机、信息技术以及航空航天等领域广泛应用以外，在电梯中也有很多的应用。主要有以下几个方面：

（1）电梯超载的检测

人们在乘坐电梯时，如果电梯超载，会发出警报。基于霍尔传感器的电梯超载报警装置的工作原理为：将永久磁铁固定于活动轿厢底部，它随电梯轿厢内载荷的变化做垂直方向的位移。包含霍尔元件的智能传感器模块固定在轿厢底部的承重梁上，位于永久磁铁垂直方向的正下方。当活动轿厢底因载重产生位移时，永久磁铁也随之产生位移，导致了霍尔元件感应的磁场强度发生变化，其输出的直流电压也随之变化，通过检测该电压信号，可以知道电梯的载重情况，如果超载就可以发出警报，以免发生事故

[5-6]

参考文献

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[3] 张捷民，刘汉臣.大学物理实验[M].北

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B最大，所测得的霍尔电压UH也必定最大。

在固定IS和电磁铁上励磁线圈中的电流IM

后，调节二维移动标尺，并观察仪器上霍尔电压的大小，找到霍尔元件在水平方向和竖直方向移动时，霍尔电压最大的位置，该位置即为电磁铁的气隙中心。

如果学生在测量时没有将霍尔元件调节在电磁铁的气隙中心，那么必定会给所测量的霍尔电压或者磁场带来一定的误差，从而影响实验的准确程度。

（2）控制电压值在仪器能够显示的范围内

ZKY-HS霍尔效应实验仪和ZKY-HC霍尔效应测试仪是一套常用的霍尔效应实验仪器，该仪器数字电压表的测量范围为-199.9～+199.9 MV。在实际的教学中，因为各种原因，会使得各台仪器所用的霍尔元件灵敏度不尽相同，这样会导致在相同的工作电流IS和励磁电流IM条件下，数字电压表所显示的电压值差别较大。如果实验的内容为让学生验证公式（1）中，当其中一个电流固定时，霍尔电压UH与另一电流的线性关系，那么在同样的实验条件下，可能会使得某些仪器的电压值超出其测量范围，影响实验的正常进行。

先定性后定量原则是物理实验的基本操作技术之一，也就是说在定量测量之前，先定性地观察一下实验的全过程，以求对该过程的规律从总体上有一个概括的了解，然后再着手进行定量的测定。为了避免在测量时霍尔电压超出电压表的测量范围，可以将公式（1）中一个电流（如IM）先固定，然后将另一电流（如IS）从测量范围的最小值变化至最大值，即先定性观察一下，看看在这样的参数下（指固定的电流值，如IM），霍尔

,如图2所示。

(2）电梯运行速度的检测

电梯在运行的过程中，其运行速度需

要适时检测，以保证电梯的安全运行。电梯运行主要是靠曳引机牵引的，因此，只要测得曳引机的转速就能得到电梯的运行速度。测速的时候不能影响电梯的正常工作，否则测得的速度就会失去意义。利用霍尔传感器测量电梯运行速度的工作原理为：在位于曳引轮转动的轴上面固定一个120齿的带磁性的磁钢齿轮，这样齿轮就会和曳引轮一起转动，且具有相同的角速度。在正对齿轮的方向放置霍尔传感器，如图3所示，当齿轮转动时，霍尔传感器会感受到一个个脉冲，每转过一个齿，就会产生一个脉冲，根据脉冲数即可得到转过的齿数，进而求得齿轮和曳引轮的转速[7]。或者在曳引轮上安装一个磁钢，当磁钢转至霍尔传感器时，就会产生一个脉冲，根据脉冲的频率可以获得曳引轮的转速[8]。这样就可以适时了解电梯的运行状况，并进行及时维护。

(3）电梯楼层显示

电梯的楼层显示需要提供的是开关信号，霍尔传感器的输出信号为低电平0和高电平1。在每一楼层的固定位置安装霍尔传感器，并将其与单片机连接。当带有磁钢的电梯轿厢到达某一楼层时，霍尔传感器就会输出低电平，而其它楼层的霍尔传感器则输出高电平，这样通过单片机就可以实现高层电梯运行的自动控制[9-10]。

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