示波管霍爾效應實驗設計方案

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一、霍爾效應實驗設計方案

電子從電子槍加熱發射而出，經加速電壓加速，穿過極板射向熒屏。這個過程產生霍爾效應中所需的工作電流。在無外磁場的情況下，觀察亮點的移動情況，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，在極板積聚，產生電壓，測量得霍爾電壓UH；除去磁場，觀察熒光屏上亮點位置移動情況，待位置穩定后，測量此時電壓。

二、霍爾效應實驗的實現步驟及實驗檢驗實驗步驟

將磁鐵和示波管組裝在一起，提供磁場；連接外電路開關，打開電源，開始實驗；調整聚焦及亮度，使亮點集中到熒光屏中央，測量霍爾電壓；加載磁場，測量極板處磁感應強度B，觀察熒光屏亮點移動情況；穩定后，測量霍爾電壓UH；除去磁場，觀察亮點移動情況，測量霍爾電壓。實驗結果與現象分析實驗數據分析在X偏轉板處所加磁場的磁感應強度B為0.00017T，示波管內部是固定結構，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（因為實驗時G2電位可調范圍為±100V，實際加速電壓為900V至1100V）。示波器內X偏轉板之間的距離（由于在透明的真空殼體內不能準確測量，目測為1cm）約為0.01m。將示波器的亮度調大，所測電壓逐漸增大；當亮度調節到最大時（輸入電壓約為900V至1100V），所測霍爾電壓達到最大值33.8V。理論上，電子經加速電壓加速后，亮點在熒光屏上迅速向上偏移，這個過程時間極短。這是受洛倫茲力作用，使電子束向上偏轉。由于偏轉極板兩側電荷積聚，產生霍爾電壓，電子束同時受電場力和洛倫茲力作用平衡。但是由于對于此時電子速度，極板長度不可忽略，所以電子束相對中央位置發生偏轉。過3min，待穩定后，再除去磁場，如圖5。亮點迅速移動到下方，這是由于磁感應強度為零，霍爾效應消失。這個過程是極短的。這些現象都符合霍爾效應，所以本實驗成功驗證了霍爾效應。

三、結語

本文所設計的霍爾效應實驗利用電子槍作為電子發射裝置，討論從陰極發射出的電子經過磁場時產生的霍爾效應現象。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（電子數目）增減；通過觀察熒光屏上亮點的移動情況，得到霍爾效應內部的平衡過程；并根據測量X極板上的霍爾電壓判斷霍爾效應現象的明顯程度。相比于傳統的霍爾效應實驗，本實驗儀器最大特點就是實驗過程動態可知、實驗結果直觀易得。通過熒光屏上的亮點亮度變化可以得知電子束密度增減，亦即電流強弱；兩極板電壓可以直接測量得霍爾電壓；通過觀察亮點在熒光屏上移動情況，可得知霍爾效應內部電子受力平衡過程。因此本實驗可以讓學生更加清楚地理解霍爾效應的過程和本質。另外本文所設計的霍爾效應實驗，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，適合學生實驗。

作者：張冬閣 陳誠 蘇仲達 張道成 王嘉男