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霍爾效應(yīng)的原理及應(yīng)用
點擊次數(shù)：2224 發(fā)布時間：2021-12-8
霍爾效應(yīng)的原理及應(yīng)用
霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應(yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。
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原理：
1879年霍爾(A.H.Hall)在實驗中發(fā)現(xiàn)：在均勻強磁場B中放入一塊板狀金屬導(dǎo)體，并與磁場B方向垂直如圖1，在金屬板中沿與磁場B垂直的方向通以電流I的時候，在金屬板上下表面之間會出現(xiàn)橫向電勢差UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，電勢差UH 稱為霍爾電勢差。進一步的觀察實驗還指出，霍爾電勢差UH 大小與磁感應(yīng)強度B和電流強度I的大小都成正比，而與金屬板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)；式中RH——（m^3*C^-1）僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，稱為霍爾系數(shù)。
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應(yīng)用：
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要?；魻柊l(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個電流(Iv)，該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路， 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動。當有磁場時， 大家可能會被推到靠路的右邊行走。故路 (導(dǎo)體) 的兩側(cè)，就會產(chǎn)生電壓差。這個就叫“霍爾效應(yīng)"。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>數(shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。
迄今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。
例如汽車點火系統(tǒng)，設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點火正時，能夠較大幅度提高發(fā)動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。
用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機和雨刮器電機在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機械式開關(guān)觸點產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。
霍爾器件通過檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>電信號輸出，可用于監(jiān)視和測量汽車各部件運行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進行二次變換；可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等。霍爾器件輸出量直接與電控單元接口，可實現(xiàn)自動檢測。如今的霍爾器件都可承受一定的振動，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。
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霍爾效應(yīng) Hall Effect
電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時，在同時垂直于電流和磁場方向上，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。它是1879年E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)的。如果通過導(dǎo)體的電流密度為J，外磁場在導(dǎo)體中引起的磁感應(yīng)強度為B，霍爾電勢差VH相應(yīng)的霍爾電場為EH，則有：
EH=RHJxB
式中比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)，是導(dǎo)體材料的特征量。
對于金屬，設(shè)沿x方向的電流密度Jx=-nevx，磁感應(yīng)強度B沿z方向，速度為-vx的電子在磁場中受到的洛倫茲力Fy沿+y方向，即Fy=+evxBz。這樣在導(dǎo)體的-y端積累負電荷，+y端有正電荷，產(chǎn)生霍爾電場EH，它作用于電子上的力為-eEH。兩力平衡時電荷積累過程停止，滿足-eEH+ evxBz=0，即：EH=vxBz=-1/ne（JxBz）
得霍爾系數(shù)：
RH=-1/ne
所以測量金屬的霍爾效應(yīng)可得到金屬中傳導(dǎo)電子的密度n。有些金屬RH為正，這是空穴參與導(dǎo)電的結(jié)果。
對于N型的半導(dǎo)體，其霍爾系數(shù)RH=-1/ne。如果是P型半導(dǎo)體，由于空穴帶正電荷，電流沿x方向，則電流密度Jx=ρevρ為空穴密度，其霍爾系數(shù)為RH=1/ρe。測量半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)可判別材料的導(dǎo)電粒子的類型和密度。
電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時，在同時垂直于電流和磁場方向上，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。它是1879年E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)的。如果通過導(dǎo)體的電流密度為J，外磁場在導(dǎo)體中引起的磁感應(yīng)強度為B，霍爾電勢差VH相應(yīng)的霍爾電場為EH，則有： EH=RHJxB 式中比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)，是導(dǎo)體材料的特征量。 對于金屬，設(shè)沿x方向的電流密度Jx=-nevx，磁感應(yīng)強度B沿z方向，速度為-vx的電子在磁場中受到的洛倫茲力Fy沿+y方向，即Fy=+evxBz。這樣在導(dǎo)體的-y端積累負電荷，+y端有正電荷，產(chǎn)生霍爾電場EH，它作用于電子上的力為-eEH。兩力平衡時電荷積累過程停止，滿足-eEH+ evxBz=0，即：EH=vxBz=-1/ne（JxBz） 得霍爾系數(shù)： RH=-1/ne 所以測量金屬的霍爾效應(yīng)可得到金屬中傳導(dǎo)電子的密度n。有些金屬RH為正，這是空穴參與導(dǎo)電的結(jié)果。 對于N型的半導(dǎo)體，其霍爾系數(shù)RH=-1/ne。如果是P型半導(dǎo)體，由于空穴帶正電荷，電流沿x方向，則電流密度Jx=ρevρ為空穴密度，其霍爾系數(shù)為RH=1/ρe。測量半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)可判別材料的導(dǎo)電粒子的類型和密度。