示波管霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

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一、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

電子從電子槍加熱發(fā)射而出，經(jīng)加速電壓加速，穿過極板射向熒屏。這個(gè)過程產(chǎn)生霍爾效應(yīng)中所需的工作電流。在無外磁場的情況下，觀察亮點(diǎn)的移動(dòng)情況，測量霍爾電壓；在極板處加上垂直于電子束及極板方向的磁場，電子束因此受到洛倫茲力而偏轉(zhuǎn)，在極板積聚，產(chǎn)生電壓，測量得霍爾電壓UH；除去磁場，觀察熒光屏上亮點(diǎn)位置移動(dòng)情況，待位置穩(wěn)定后，測量此時(shí)電壓。

二、霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)步驟及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟

將磁鐵和示波管組裝在一起，提供磁場；連接外電路開關(guān)，打開電源，開始實(shí)驗(yàn)；調(diào)整聚焦及亮度，使亮點(diǎn)集中到熒光屏中央，測量霍爾電壓；加載磁場，測量極板處磁感應(yīng)強(qiáng)度B，觀察熒光屏亮點(diǎn)移動(dòng)情況；穩(wěn)定后，測量霍爾電壓UH；除去磁場，觀察亮點(diǎn)移動(dòng)情況，測量霍爾電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在X偏轉(zhuǎn)板處所加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.00017T，示波管內(nèi)部是固定結(jié)構(gòu)，為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求，可分析出加速電壓UO為陰極K與第二柵極G2之間的電壓，約為1000V（因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)G2電位可調(diào)范圍為±100V，實(shí)際加速電壓為900V至1100V）。示波器內(nèi)X偏轉(zhuǎn)板之間的距離（由于在透明的真空殼體內(nèi)不能準(zhǔn)確測量，目測為1cm）約為0.01m。將示波器的亮度調(diào)大，所測電壓逐漸增大；當(dāng)亮度調(diào)節(jié)到最大時(shí)（輸入電壓約為900V至1100V），所測霍爾電壓達(dá)到最大值33.8V。理論上，電子經(jīng)加速電壓加速后，亮點(diǎn)在熒光屏上迅速向上偏移，這個(gè)過程時(shí)間極短。這是受洛倫茲力作用，使電子束向上偏轉(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)極板兩側(cè)電荷積聚，產(chǎn)生霍爾電壓，電子束同時(shí)受電場力和洛倫茲力作用平衡。但是由于對于此時(shí)電子速度，極板長度不可忽略，所以電子束相對中央位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)。過3min，待穩(wěn)定后，再除去磁場，如圖5。亮點(diǎn)迅速移動(dòng)到下方，這是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，霍爾效應(yīng)消失。這個(gè)過程是極短的。這些現(xiàn)象都符合霍爾效應(yīng)，所以本實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了霍爾效應(yīng)。

三、結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)利用電子槍作為電子發(fā)射裝置，討論從陰極發(fā)射出的電子經(jīng)過磁場時(shí)產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)現(xiàn)象。從熒光屏上電子的亮度變化可以推斷出從通過控制光柵中心小孔的電子密度（電子數(shù)目）增減；通過觀察熒光屏上亮點(diǎn)的移動(dòng)情況，得到霍爾效應(yīng)內(nèi)部的平衡過程；并根據(jù)測量X極板上的霍爾電壓判斷霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的明顯程度。相比于傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)儀器最大特點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)過程動(dòng)態(tài)可知、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀易得。通過熒光屏上的亮點(diǎn)亮度變化可以得知電子束密度增減，亦即電流強(qiáng)弱；兩極板電壓可以直接測量得霍爾電壓；通過觀察亮點(diǎn)在熒光屏上移動(dòng)情況，可得知霍爾效應(yīng)內(nèi)部電子受力平衡過程。因此本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加清楚地理解霍爾效應(yīng)的過程和本質(zhì)。另外本文所設(shè)計(jì)的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，由于儀器由示波管簡單改裝而來，所以制作容易，操作簡便，成本低、互換性強(qiáng)，適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

作者：張冬閣 陳誠 蘇仲達(dá) 張道成 王嘉男