霍尔元件、电磁流量计、磁流体发电机.docx

霍尔元件、电磁流量计、磁流体发电机一、霍尔元件1．霍尔效应金属导体板放在垂直于它的匀强磁场中，当导体板中通过电流时，在 平行于磁场且平行于电流的两个侧面间会产生电势差，这种现象叫霍尔效应2. 霍尔效应的解释如图，截面为矩形的金属导体，在x方向通以电流I,在z方向 加磁场B,导体中自由电子逆着电流方向运动由左手定则可以判断，运动的电子在洛仑兹力作用下向下表面聚集，在导体的上表面A就会出现多余的正电荷，形成上表面电势高，下表面电势低的电势差，导体内部出现电场，电场方向由A指向A'，以后运动的 电子将同时受洛仑兹力 F 和电场力 F 作用 洛洛 随着表面电荷聚集，电场强度增加， F 也增洛加， 最终会使运动的电子达到受力平衡（F = F ）而匀速运动，此时导体上下两表面间就出现稳定的电势差洛电3．霍尔效应中的结论设导体板厚度为h（y轴方向）、宽度为d、通入的电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B， 导体中单位体积内自由电子数为n，电子的电量为e,定向移动速度大小为v，上下表 面间的电势差为U；（1） 由 Bq = Uq = U = Bh ①hIB（2） U、I、B的关系还可表达为U = k 其中k为霍尔系数 ②d电流的微观表达式有：I = n（es = nehd ③联立①②③式可得 ne由此可通过霍尔系数的测定来确定导体内部单位体积内自由电子数。

3）考察两表面间的电势差〃 =Bh，相当于长度为h的直导体垂直匀强磁场B以速度v切割磁感线所产生的感应电动势E感=Bh例 1 、霍尔元件能转换哪两个量（ ）A. 把温度这个热学量转换为电阻这个电学量B. 把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量C. 把力转换为电压这个电学量D. 把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量答案B例 2、霍尔元件是一种应用霍尔效应的磁传感器，广泛应用于各领域，如在翻盖中， 常用霍尔元件来控制翻盖时开启或关闭运行程序．如图是一霍尔元件的示意图，磁场方 向垂直霍尔元件工作面，霍尔元件宽为d （M、N间距离），厚为h （图中上下面距离）， 当通以图示方向电流时，MN两端将出现电压〃耐秆则（ ）A. MN两端电压UMN仅与磁感应强度B有关B. 若霍尔元件的载流子是自由电子，则MN两端电压U V0MNC. 若增大霍尔元件宽度d,则MN两端电压U —MN定增大D. 通过控制磁感应强度B可以改变MN两端电压UMN答案 D练习1. 磁强计是一种测量磁感应强度的仪器，其原理如图 所示，电路中有一段金属导体，它的横截面是宽为a,高 为 b 的长方形，放在沿 y 轴正方向的匀强磁场中，导体 中通有沿x轴正方向、电流强度为I的电流.已知导体 中单位体积的自由电子数为n电子电量为e.测出导体前后两个侧面的电势差为U.1） 导体前后两个侧面哪个面电势较高？2） 磁感应强度 B 的大小为多大？2. 磁强计是测量磁感应强度的仪器，磁强计中有一块导体，如图所示．导体中通有沿x轴正方向的电流I,且单位体积内的自由电子数位n,电子的电荷量为e,被测匀强磁场沿z轴正方向,稳定时，测得PQ两面电势差为U, 则（ ）A•导体侧面Q的电势高于导体侧面P的电势B•导体侧面P的电势高于导体侧面Q的电势UnbeD．磁感应强度B =UnbeC.磁感应强度B = —|—3. 目前有一种磁强计,用于测定地磁场的磁感应强度．磁强计的原理如右图所示,电 路有一段金属导体，它的横截面是宽为a、高为b的长方形，放在沿y轴正方向的匀强 磁场中，导体中通有沿x轴正方向、大小为I的电流.已知金属导体单位体积中的自由 电子数为n电子电荷量为e,金属导电过程中，自由电子所做的定向移动可视为匀速 运动．两电极 M、 N 均与金属导体的前后两侧接触,用电压表测出金属导体前后两个 侧面间的电势差为U.则磁感应强度的大小和电极M、N的正负为（ ）nebUA. B 二 ,M 正、N 负nebUB. B 二 ,M 正、N 负nebUC. B 二 ,M 负、N 正nebUD. B 二 ,M 负、N 正4. 如图所示，导电物质为电子的霍尔元件位于两串联线圈之间，线圈中电流为I,线 圈间产生匀强磁场，磁感应强度大小B与I成正比，方向垂直于霍尔元件的两侧面，此 时通过霍尔元件的电流为 I ，与其前后表面相连的电压表测出的霍尔电压 I 满足：HHkI BU ，式中k为霍尔系数，d为霍尔元件两侧面间的距离.电阻R远大于R，H d L霍尔元件的电阻可以忽略，则（ ）A. 霍尔元件前表面的电势低于后表面B. 若电源的正负极对调，电压表将反偏C. I与I成正比HD. 电压表的示数与R消耗的电功率成正比5. 利用霍尔效应测量磁感应强度的原理如图所示，元件中通以正x方向的电流I,置 于沿z轴方向的磁场中，其前、后表明垂直于z轴，在元件上、下表面之间产生电势差U.若磁感应强度B=BO+kz （BO、k均为常数），由于沿 z轴方向位置不同，电势差u也不同，贝y（ ）A. 若该元件的载流子是电子，则下表面电势高B. 电势差U越大，该处磁感应强度B越大C. 在某一位置处，电流I越大，电势差U越大D. k越大，在z轴上两不同位置上测得的电势差U的差值越大6. （2010 年北京卷）利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。

如图1,将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中，在薄片的两个侧 面a、b间通以电流I时，另外两侧c、f间产生电势差，这一现象称为霍尔效应其原 因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是c、f间建立起电场 Eh，同时产生霍尔电势差UH当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，已”和UHH H H HIB达到稳定值，UH的大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式Uh=Rh ，其H H H d中比例系数rh称为霍尔系数，仅与材料性质有关1） 设半导体薄片的宽度（C、f间距）为1,请写出UH和Eh的关系式;若半导体材料 是电子导电的，请判断图1中c、f哪端的电势高；（2） 已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数Rh的表达式通过横截面积S的电流I=nevS，其中v是导电电子定向移动的平均速 H率） ;（3） 图 2 是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地 嵌装着 m 个永磁体，相邻永磁体的极性相反霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近当圆盘 匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示a. 若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P,请导出圆盘转速 N 的表达式。

b. 利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程除此之外，请你展开“智慧的翅膀”，提出另一个实例或设想二、电磁流量计1．功能：电磁流量计是利用霍尔效应来测量管道中液体流量（单位时间内通过管内横 截面的液体的体积）的一种设备dF a2．其原理为：圆形管道直径为d （用非磁性材料制成），管道内有向左 匀速流动的导电液体，在管道所在空间加一垂直管道向里的 匀强磁场，设磁感应强度为B；管道内随液体一起流动的自由电荷（正、负离子）在洛仑兹 力作用下垂直磁场方向偏转，使管道上ab两点间有电势差，管道内形成电场；当自由电荷 受电场力和洛仑兹力平衡时，ab间电势差就保持稳定，测出ab间电势差的大小U,则有：口 U UBq = q u = d n Bd故管道内液体的流量U _ ndUBd_ ~AB例 3 、为监测某化工厂的的污水（导电液体）排放量，环境保护机构在该厂的排污管末 端安装了如图所示的流量计该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c,左 右两端开口在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为 B 的匀强磁场，在前后两 个内侧面分别固定有金属板作为电极污水充满管口从左向右流经该装置时，理想电压表将显示两个电极间的电压U。

若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水的体积）,下列说法中正确的是（ ）A. 后表面电极电势比前表面电极电势高B. 前表面电极电势比后表面电极电势高；C. 电压表的示数U与污水中离子浓度成正比；D. 污水流量Q与电压表的示数U成正比，与a、b无关答案 AD练习7.如图所示为电磁流量计的示意图，在非磁性材料做成的圆形管道外加一匀强磁场区域，当管中的导电 幷一f~1 流体过此磁场区域时，测量出管壁上的a、b两点之间0 y |产d 的电动势E，就可以知道液体的流量Q （单位时间内流过液体的体积）.已知管道的直径为D，磁感应强度为B,试推出Q与E的关系表达式.8. 医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通测电势差过动脉的血流速度电磁血流计由一对电极 a 和 b 以及 磁极 N 和 S 构成，磁极间的磁场是均匀的使用时，两 电极 a、b 均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和 血流速度方向两两垂直，如图所示由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差在达到平衡时，血管 内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零在某 次监测中，两触点的距离为3.0mm,血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160卩V, 磁感应强度的大小为0.040T。

则血流速度的近似值和电极a、b的正负为（ ）A.1.3m/s ， a 正、b 负 B.2.7m/s ， a 正、b 负C.1.3m/s， a 负、 b 正 D.2.7m/s ， a 负、 b 正9. 电磁流量计广泛应用于测量可导电液体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通 过管内横截面的流体的体积）．为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道.其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c.流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中 虚线）．图中流量计的上下两面是金属材料，前后两 面是绝缘材料.现于流量计所在处加磁感应强度B的 匀强磁场，磁场方向垂直前后两面.当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值.已知流体的电阻率为p不计电流表的内阻，则可求得 流量为（ ）IcA. (bR +p—)BaB. (aR + p —)BcIa c. B (CR +p b)D. 4(R + p 竺)Ba10. 单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量（以下简称流量）由 一种利用电磁原理测量非磁性导电液体（如自来水、啤酒等）流量的装置，称为电磁流 量计。

它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成传感器的结构 如图所示，圆筒形测量管内壁绝缘，其上装有一对电极a 和c,a,c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、 c 的连接放像以及通过电线圈产生的磁场方向三者相互垂 直当导电液体流过测量管时，在电极 a、 c 的间出现感 应电东势E，并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q 设磁场均匀恒定，磁感应强度为B1）已知门_丨I- 丁，Q —山1*|2,设液体在测量管内各处流速相同，试求E的大小（兀取3.0）（ 2 ）一新建供水站安装了电磁流量计，在向外供水时流量本应显示为正值但实际显 示却为负值经检查，原因是误将测量管接反了，既液体由测量管出水口流入，从如水口流 出因为已加压充满管道不便再将测量管拆下。