[发明专利]基于霍尔元件采集波尔共振仪运动状态数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高等学校物理教学实验仪器的使用方法，确切地说，涉及一种基于霍尔元件采集波尔共振仪运动状态数据的方法，属于高校物理学、测试技术或电子科学教学或技术训练用的模型或实验装置的技术领域。

背景技术

参见图1，波尔共振仪是目前中国高校使用比较普及的一种新型教学实验仪器，图中1是光电门，2是用于表示摆轮外径起始端的深凹槽，3是用于计算摆轮转动角度的浅凹槽，4是铜质摆轮，5是摇杆，6是蜗卷弹簧，7是支撑架，8是阻尼线圈，9是连杆，10是摇杆螺钉，11是光电门，12是角度盘，13是有机玻璃转盘，14是底座，15是弹簧夹持螺钉，16是闪光灯。该仪器可用于观察扭摆的简谐振动、阻尼振动、受迫振动等多种物理实验现象，同时该仪器还可以对简谐振动的幅度、阻尼振动时的阻尼系数，以及受迫振动时的相位变化进行测量。上述测量都是基于光电门对摆轮的转动角度进行数字式数据的测量，这种数据的采集间隔较大。该仪器还可用于研究摆轮的混沌现象，由于混沌现象的数据处理过程中需要对数值进行微分计算，因此，必须使用连续的方法(即采集点比较密集的方式)进行数据采集。如果仍然采用原来设备的光电门就存在两个问题：一是数据采集的间隔为2°，达不到要求的间隔密集程度；二是混沌现象的出现是在摆轮的边缘附加重物，从而改变系统的受力状态而实现的。在这种情况下，原来摆轮边缘的齿型凹槽的通孔空间被遮挡，光电门无法实现数据采集。

目前，国内高校实验室通常是使用德国莱宝公司的仪器开展观察和测量摆轮的混沌现象的教学实验，德国莱宝仪器是利用位移传感器来实现混沌运动的数据采集。具体方法是沿着摆轮的圆周附加一个线槽，将线安置在该线槽中，并与位移传感器连接，当摆轮摆动时，安置在线槽中的线绳会随摆轮同步运动，由位移传感器所记录的线绳的移动距离即反映了摆轮的移动信息。但是，这种采集数据的方法由于传感系统与力学系统相互之间有摩擦，会对力学系统的受力状态产生影响，在某些情况下甚至会导致改变力学现象，因此该仪器的设计和制造都有特殊要求，比如对摆轮的材质、对电机的转速等均需进行特殊设计，从而造成该仪器的售价昂贵(人民币约4万元)。目前，在中国国内各高校使用的波尔共振仪大都是由同济大学和成都世纪中科公司生产的，售价在6000元左右。由于该仪器不能达到上述设计要求，因此后者无法用于对摆轮混沌现象的观察、研究和数据采集的各项实验教学。

众所周知，物理学家霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现了一种磁电效应现象：任何导体通以电流时，如果在垂直于电流方向上存在磁场，则该导体内部会产生与电流和磁场方向都垂直的电场，这一现象称为霍尔效应。由于导体产生的霍尔效应远不如半导体材料，因此，通常用半导体材料制成霍尔片(即霍尔元件)。

参见图2，霍尔元件是一块矩型半导体薄片，假设将一个长度为a、宽度为b、厚度为d的霍尔片放入与该霍尔片相垂直的磁场中，如果在该半导体薄片上沿着垂直于磁场强度B的方向通以恒定电流I_S，这时磁场对该半导体薄片中定向迁移的载流子(电子或空穴)就产生了洛伦兹力f_B。如果载流子的电荷为q(正电荷)，漂移速度，即定向运动速度为υ，则洛伦兹力的大小及方向取决于公式： f → B = q υ → × B → . ]]>在洛伦兹力的作用下，载流子的运动方向发生偏转，使电荷聚集在半导体薄片相对应的两个侧面C和H上，该两个侧面之间将出现电势差U_H，即霍尔电压U_H。霍尔在1879年发现的这种现象被称为霍尔效应。