霍尔传感器实验为什么用磁铁

这位朋友，首先要向你介绍一下什么是霍乐传感器。

霍尔器件

霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势VH。如图1－1所示。

霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：VH＝KHICBsinΘ

霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场

所以，霍尔传感器实验必须用到磁铁！

据外媒报道，量子计算机有可能大大超过传统计算机，但目前它们大多局限于实验室和大型实验设备。 日本研究人员现在已经朝着更易于使用的量子计算设备迈出了一步，他们找到了一种在室温下“扭曲”光的方法。

有些类型的量子计算机使用光子作为携带数据的粒子。为了将信息编码到这些光子中，设备中的电子被 *** 纵成一种特定的状态，这种状态要么表示0要么表示1。当这些电子跟某些发光材料相互作用时，它们将信息传递给光子，光子则可以存储和传输信息。

在量子计算机中编码数据的一种新兴方法是通过谷偏振光。从本质上讲，电子可以存在于几个不同的能带中，在它们之间的能量较低的“谷”中。当这些谷中的电子在设备中产生光时它们会产生偏振光的圆形图案，可以向左或向右扭曲（被称为手性），这在量子信息存储和传输方面具有很强的潜力。

然而问题是，这种扭曲的、手性的谷偏振光通常只能在强磁体和接近绝对零度的温度下产生，所以它还停留在大型实验室的设置领域。但在这项新研究中，来自名古屋大学的研究人员发现了一种在室温下无需磁铁就能产生这种光的方法。

在早期的实验中，该团队创造了一种半导体设备，它可以在零下193 C的温度下产生光。他们观察到，在该器件的某些部分在较温暖的温度下会产生手性光--但只在合成过程中衬底被拉伸的地方。当衬底没有应变时，手性光在温度急剧下降时才会产生。

为了验证张力起作用的假设，该团队随后创造了一种新设备，其由塑料基板上的二硫化钨制成。他们弯曲该装置以施加应力到材料上，结果发现它会产生跟应力方向相同的电流。这反过来在室温下产生了谷偏振光。为了使光向相反的方向移动可以施加一个电场。

“我们使用的应变单层半导体首次展示了一种发光装置，它可以在室温下用电产生和开关右偏振光和左偏振光，”该研究的论文联合首席作者Taishi Takenobu说道。

研究团队表示，这一突破可能导致更强大的消费级量子计算设备。未来的工作将集中在优化系统以实现这种可能性。

磁铁

磁现象是一种自然现象，古今中外的人们都是逐渐认识其性质的。

早在3000多年前，我国劳动人民就发现了磁石吸铁的现象。到战国时期，人们已经知道把天然磁石磨成勺子的形状，放在光滑的石板上，勺子把就会自动指向南方。这就是世界上最早的指南针，古人将其称为“司南”。

指南针是中国人引以为荣的四大发明之一。有了指南针，才有了后来的大航海时代，才有了西方工业文明和美洲大陆的发现。19世纪初，丹麦学者奥斯特第一个观察到了电流对磁针的作用。1831年，英国科学家法拉第又发现了电磁感应的规律。从此，磁现象和磁性材料的研究与应用，成了电工学和电子学中的一个重要范畴。

电和电磁可是，磁铁为什么能吸引铁、钴、镍等金属而对于铜、铝等金属就不起作用呢？指南针又为什么能指向南方？这其中有什么联系吗？

磁铁靠近铁钉或镍币时，会把它们吸住，这种吸引力就叫磁力，磁力作用的范围叫做磁场。能够被磁铁吸住的物体叫做“磁性体”，它本身在特定条件下也可以变成磁铁或具有磁性。

磁石吸铁的性质叫做磁性。如果我们用一块天然磁石沿一固定的方向，多次地摩擦一根钢针，就能使钢针带上磁性，这个过程叫做磁化。就像电池生电一样，磁力也是磁铁产生的。由于磁力是从磁铁的两端产生出来的，如果把铁屑撒在条形或马蹄形永久磁铁的周围，铁屑就公自动集结在磁铁的两端，而在磁铁的其余部位，却几乎看不到有铁屑被吸引上去。这个现象说明，磁性最强的部位，集中在磁铁的两端，我们把这两端称为磁极。在电池上，把流出电流的一端叫正极，进入的一端叫负极。而磁铁的两端，一头叫北极，另一头叫南极。

它们有了这两个名字，也是具有科学道理的。用线把磁铁悬吊起来，这时，磁铁总有一端指南，一端指北，指北的一端当然是北极，那指南的，就是南极了。磁铁之所以有南北指向，正因为地球本身是个大磁铁。如果从磁铁的角度看，那么地球的北极附近是S极，南极附近是N极。所以，磁铁的N极指向北，S极指向南。

在英语里，“North”这个词表示北方，“South”这个词表示南方，所以通常用N表示北极，用S表示南极。

用一根细线把磁铁悬挂起来，使它能自由地旋转，但它最后总是沿着一个磁极指南、另一个磁极指北的方向静止下来。通常我们把指向南方的磁极叫做南极（或S极），指向北方的叫北极（或N极）。就像正、负两种电荷间具有同性相斥、异性相吸的性质那样，在南、北两个磁极之间也存在着相互作用的力——磁力。

如果没有导线把电池的两端连起来，是不会有电流通过的，而磁力不需要导线，它可以直接穿过空间。而且，和电的流动相同，它也一定要走过一圈（从N到S），决不中途停顿或断开。磁走过的路线是看不见的，我们用磁力线来表示。磁力线是一个抽象出来的概念，它本身并不存在，但磁场是存在的，我们用磁力线的方向来表示磁场的方向，用磁力线的疏密来表示磁场的强弱，磁力线越密，表示磁场越强。

虽然磁场看不见摸不着，但它确实是客观存在的一种物质。如果在磁铁的上方放一块有机玻璃板或塑料板并撒上铁粉，然后轻轻d振塑料板，我们会看到，铁粉有规则地排列成一圈一圈的形状，这就是磁力线的分布情况，也就是磁场的情况。

电极具有同性相斥、异性相吸的特性，磁极也一样，南极与南极、北极与北极接触时会相互排斥，可是磁铁的南极与北极不用接触，只要一接近，就会相互吸引。

磁力线喜欢走捷径，在它经过的途中，如放一块铁（磁性材料），它就不绕大圈子，而是穿过铁块。而且，尽力把铁块拉到自己身边，离得越近越好，这就是“吸引”作用。

如果迷路时要想判断方位，就可以使用指南针，它其实就是个很轻的磁铁。因为指南针既可以指南，也可以指北，就简单地叫它“磁针”。由于地球的北极是S极，它要吸引指南针的N极，所以，指南针的N极指向北方；同理，地球的南极是N极，它要吸引指南针的S极，所以指南针的S极指向南方。地球和指南针的磁力线是一致的，但方向相反。如果把指南针放在地球的南极或北极，就应该把指南针立起来放置。

当磁针放在其他磁铁附近，也就是磁场内时，它的方向就会改变，从而发生旋转。如果磁铁的磁力较弱，磁针偏转角就比较小，如果磁铁磁力较强，磁针偏转角就会比较大。

传说大海中有一座神奇的岛屿，美人鱼在岛上唱歌迷惑过往的水手。谁要是听到歌唱，一定会被迷惑，等待他的只能是船毁人亡。可是，据说大海中真的就有这么一座岛，任何靠近它的船只都会莫名其妙地以飞快的速度向它驶去，粉碎在岸边陡峭的礁石上。

后来有一艘船在即将重蹈覆辙的时候，船长果断地下令弃船，船员们才得以坐着小艇生还。据生还者讲，当时船上所有的罗盘都失灵了，而船也失去了控制，不顾一切地撞向小岛的悬崖。

当然，这座岛上根本没有什么美人鱼，不过，却有另一样更致命的东西：磁场。原来岛上富含磁性矿物质，因此整座岛变成了一个大磁铁，铁壳的船只一旦靠近它，难免会被它吸过去，而罗盘——也就是指南针，当然也会在强磁场的干扰下失灵。

磁力和磁场

我们说过，磁场的强弱，用磁力线表示。如果将两根磁棒串联放置时，穿过单位横截面积的磁力线数目不会改变；并联放置时，穿过单位横截面积的磁力线数目增多，也就是磁力线变密了。数目不变的，磁场的强度不变；数目增多的，磁场增强。不过，并置时必须把两根磁棒压紧，否则不会增强。

把铁块或钢块置于“U”形磁铁的两极，则铁块和钢块将被磁化，它会吸起铁屑，当把铁块和钢块由磁极下端移开时，则仍有许多铁屑被吸在钢块上，而铁块上的铁屑几乎全部脱落。

磁化停止后，钢块上所保留的磁性叫做剩磁，铁块的剩磁少，钢块的剩磁多。

如果把两块强弱不同的磁铁并置在一起，强磁铁的磁力线将强行通过弱磁铁，使弱磁铁的磁力线被抵消。本来，它们是同极并置在一起的。这样一来，当它们离开时，弱磁铁的S极与N极就互相调换了位置，原来的S极变成N极，原来的N极变成S极。

弱磁铁在强磁铁的作用下，体内小磁体的取向就改变了，所以像刚才说的，它就改变了原来磁力线的方向。

这里教大家一个用磁铁吸引铁钉或曲别针之类的小东西的游戏吧？请准备一些这样的物品做下面的实验。到商店买3～5块铁氧体材料的磁铁和10米长、0.4毫米直径的漆包线。买磁铁时要挑表面平整光滑些的，当把它们串置在一起时，能互相吸得牢固，这样的磁铁可当磁棒使用。

用磁铁把小铁钉吸上来以后，小铁钉也变成磁铁了。当然，比起磁铁来，它们的磁力是很微弱的。虽然弱，也具有了磁性。如果用小铁钉靠近它附近的其他铁钉时，就会一个连一个地吸上来，吊成一串，十分有趣。

不论什么形状的铁，它里面都有磁铁的“成分”，这成分究竟是什么，稍后我们再探讨，可以把它们暂且看成是一个个微型的小磁体。平时它们是杂乱无章地排列的，所以显示不出磁性。假如把铁放到磁场内，小磁体们整齐一顺地排列起来，于是，磁性就能够显示出来了。

为什么磁铁只吸引铁、钴、镍等金属呢？

事实上，这个问题是有不恰当之处的，因为实验表明，任何物质在磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。物质被磁化以后，就成为一个磁体，与磁化它的磁铁间发生同性相斥异性相吸的作用。像铜、铝这些金属也可具有磁性，只是磁化非常弱，受到的磁力也就很弱，基本看不出来。

像铁、钴、镍那样能够被强烈磁化的物质，叫做铁磁性材料。钢以及掺有钴、镍等金属的合金，经过磁化以后，能长久地保持磁性，人们称它们为永久磁铁。常用的直流电流表、电度表、扬声器、耳机等许多电气设备中，都要用到永久磁铁。

磁化后的铁磁性物质，它们的磁性并不因外磁场的消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性，叫做剩磁铁磁性物质。按剩磁的情形分为软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料的剩磁弱，而且容易退磁。硬磁性材料的剩磁强，而且不易退磁，适合于制成永久磁铁。应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、水磁电机等电器设备中。

还有一种磁性材料，叫做铁氧体，它是由氧化线和二价金属（如Ni、Co、Mn、Mg等）的氧化物组成的，在电性能上与半导体相似，在磁性上与铁磁性材料相似。铁氧体在电子技术中已经成为不可缺少的磁性材料，在电子计算机中利用铁氧体做记忆元件，在电子线路中广泛利用铁氧体做电感线圈的磁心。

一块永久磁铁，不论把它切成多少块，每一小块都是磁铁，都有自己独立的南极和北极，的确是一个有趣的现象。

很多电气设备，如电动机、蜂鸣器、扬声器等，就是利用磁力进行工作的。两种磁极与两种电荷毕竟还是不同的。比如，正电荷与负电荷是可以分离的，但是想要得到单独存在的南极和北极却是不可能的。即使把一根条形磁铁分成许多段，每一段也总还是有南、北两个相反的磁极。

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