示波管霍尔效应实验设计方案

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一、霍尔效应实验设计方案

电子从电子枪加热发射而出，经加速电压加速，穿过极板射向荧屏。这个过程产生霍尔效应中所需的工作电流。在无外磁场的情况下，观察亮点的移动情况，测量霍尔电压；在极板处加上垂直于电子束及极板方向的磁场，电子束因此受到洛伦兹力而偏转，在极板积聚，产生电压，测量得霍尔电压UH；除去磁场，观察荧光屏上亮点位置移动情况，待位置稳定后，测量此时电压。

二、霍尔效应实验的实现步骤及实验检验实验步骤

将磁铁和示波管组装在一起，提供磁场；连接外电路开关，打开电源，开始实验；调整聚焦及亮度，使亮点集中到荧光屏中央，测量霍尔电压；加载磁场，测量极板处磁感应强度B，观察荧光屏亮点移动情况；稳定后，测量霍尔电压UH；除去磁场，观察亮点移动情况，测量霍尔电压。实验结果与现象分析实验数据分析在X偏转板处所加磁场的磁感应强度B为0.00017T，示波管内部是固定结构，为使示波管正常工作，对电源供给有一定要求，可分析出加速电压UO为阴极K与第二栅极G2之间的电压，约为1000V（因为实验时G2电位可调范围为±100V，实际加速电压为900V至1100V）。示波器内X偏转板之间的距离（由于在透明的真空壳体内不能准确测量，目测为1cm）约为0.01m。将示波器的亮度调大，所测电压逐渐增大；当亮度调节到最大时（输入电压约为900V至1100V），所测霍尔电压达到最大值33.8V。理论上，电子经加速电压加速后，亮点在荧光屏上迅速向上偏移，这个过程时间极短。这是受洛伦兹力作用，使电子束向上偏转。由于偏转极板两侧电荷积聚，产生霍尔电压，电子束同时受电场力和洛伦兹力作用平衡。但是由于对于此时电子速度，极板长度不可忽略，所以电子束相对中央位置发生偏转。过3min，待稳定后，再除去磁场，如图5。亮点迅速移动到下方，这是由于磁感应强度为零，霍尔效应消失。这个过程是极短的。这些现象都符合霍尔效应，所以本实验成功验证了霍尔效应。

三、结语

本文所设计的霍尔效应实验利用电子枪作为电子发射装置，讨论从阴极发射出的电子经过磁场时产生的霍尔效应现象。从荧光屏上电子的亮度变化可以推断出从通过控制光栅中心小孔的电子密度（电子数目）增减；通过观察荧光屏上亮点的移动情况，得到霍尔效应内部的平衡过程；并根据测量X极板上的霍尔电压判断霍尔效应现象的明显程度。相比于传统的霍尔效应实验，本实验仪器最大特点就是实验过程动态可知、实验结果直观易得。通过荧光屏上的亮点亮度变化可以得知电子束密度增减，亦即电流强弱；两极板电压可以直接测量得霍尔电压；通过观察亮点在荧光屏上移动情况，可得知霍尔效应内部电子受力平衡过程。因此本实验可以让学生更加清楚地理解霍尔效应的过程和本质。另外本文所设计的霍尔效应实验，由于仪器由示波管简单改装而来，所以制作容易，操作简便，成本低、互换性强，适合学生实验。

作者：张冬阁 陈诚 苏仲达 张道成 王嘉男