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霍尔效应

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2021-05-31

霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。 当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。

中文名:霍尔效应霍尔效应
外文名:Hall effect
表达式:Vh=BI/(nqd)
提出者:霍尔
提出时间:1879年
适用领域:电磁学
应用学科:电磁学

 

 

 

 

 

 


发现
霍尔效应 在1879年被物理学家霍尔发现,它定义了磁场和感应电压之间的关系,这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。
虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解,但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用,直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同,霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器,广泛应用于电力系统中。

霍尔效应是导电材料中的电流磁场的相互作用,而产生电动势的一种效应。

这个导电材料通常是半导体材料,将半导体材料接入一个电源中,形成一个回路,此时电路中就存在电荷的定向移动,如下图:

未添加磁场的导体

 

 

如果此时将这个导电板处于一个磁场中,电荷会受到洛伦兹力,其路径会发生偏移,电荷偏移之后,就会形成电场,电荷同时会受到电场力,这个力正好与洛伦兹力方向相反,阻碍其移动,最终,电场力与洛伦兹力平衡,如下图:

霍尔效应动画图解 

霍尔效应形成 

如果使用仪表测试导电板两侧的电压,会发现其形成了电动势

霍尔电势差测量 

我们对上述过程进行进一步分析:

霍尔效应计算 

E:电场强度;

e:单个粒子的电荷量;

n:单位体积的带电粒子数量;

B:磁通密度;

v:带电粒子移动速度。

 

 

解释
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集,在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场,电场力与洛伦兹力产生平衡之后,不再聚集,此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力,使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移,这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见,假设导体为一个长方体,长度分别为a、b、d,磁场垂直ab平面。电流经过ad,电流I = nqv(ad),n为电荷密度。设霍尔电压为VH,导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。设磁感应强度为B。
洛伦兹力: F=qE+qvB/c(Gauss 单位制)
电荷在横向受力为零时不再发生横向偏转,结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场: E=-vB/c

由实验可测出 E= UH/W 定义霍尔电阻为
RH= UH/I =EW/jW= E/j
j = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)
UH=RH I= -B I /(q n c)


本质
固体材料中的载流子在外加磁场中运动时,因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移,并在材料两侧产生电荷积累,形成垂直于电流方向的电场,最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡,从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示:参加材料导电过程的不仅有带负电的电子,还有带正电的空穴。

Tags:霍尔效应,电磁学  
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