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霍尔效应【霍尔效应】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 。
基本介绍中文名：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
套用学科：电磁学
适用领域範围：电磁学
适用领域範围：物理领域
衍生效应：量子霍尔效应 ， 量子反常霍尔效应
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係 ， 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 ， 但基于霍尔效应的感测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恆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 ， 霍尔效应感测器可以作为开/关感测器或者线性感测器 ， 广泛套用于电力系统中 。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
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由实验可测出 E= UH/W 定义霍尔电阻为RH= UH/I =EW/jW= E/j
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j = q n vRH=-vB/c /(qn v)=- B/(qnc)
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UH=RH I= -B I /(q n c)
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本质固体材料中的载流子在外加磁场中运动时 ， 因为受到洛侖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侖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係数 。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 。套用霍尔效应在套用技术中特别重要 。霍尔发现 ， 如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电流(Iv) ， 该磁场的方向垂直于所施加电压的方向 ， 那幺则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH) ， 人们将这个电压叫做霍尔电压 ， 产生这种现象被称为霍尔效应 。好比一条路 ， 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动 。当有磁场时 ， 大家可能会被推到靠路的右边行走 。故路 (导体) 的两侧 ， 就会产生电压差 。这个就叫“霍尔效应” 。根据霍尔效应做成的霍尔器件 ， 就是以磁场为工作媒体 ， 将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出 ， 使之具备感测和开关的功能 。迄今为止 ， 已在现代汽车上广泛套用的霍尔器件有：在分电器上作信号感测器、ABS系统中的速度感测器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度感测器、各种开关 ， 等等 。例如汽车点火系统 ， 设计者将霍尔感测器放在分电器内取代机械断电器 ， 用作点火脉冲发生器 。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压 ， 控制电控单元（ECU）的初级电流 。相对于机械断电器而言 ， 霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护 ， 能够适应恶劣的工作环境 ， 还能精确地控制点火正时 ， 能够较大幅度提高发动机的性能 ， 具有明显的优势 。用作汽车开关电路上的功率霍尔电路 ， 具有抑制电磁干扰的作用 。许多人都知道 ， 轿车的自动化程度越高 ， 微电子电路越多 ， 就越怕电磁干扰 。而在汽车上有许多灯具和电器件 ， 尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流 ， 使机械式开关触点产生电弧 ， 产生较大的电磁干扰信号 。採用功率霍尔开关电路可以减小这些现象 。霍尔器件通过检测磁场变化 ， 转变为电信号输出 ， 可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化 。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等 ， 并可将这些变数进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等 。霍尔器件输出量直接与电控单元接口 ， 可实现自动检测 。如今的霍尔器件都可承受一定的振动 ， 可在零下40摄氏度到零上150摄氏度範围内工作 ， 全部密封不受水油污染 ， 完全能够适应汽车的恶劣工作环境 。发展在霍尔效应发现约100年后 ， 德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应 ， 这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一 ， 克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖 。之后 ， 美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert B.Laughlin ， 1950-)、施特默(Horst L. St rmer ， 1949-)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应 ， 这个发现使人们对量子现象的认识更进一步 ， 他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖 。如今 ， 复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究 。“量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言 ， 之后被实验证实 。这一成果是美国《科学》杂誌评出的2007年十大科学进展之一 。如果这一效应在室温下工作 ， 它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生 。工业上套用的高精度的电压和电流型感测器有很多就是根据霍尔效应製成的 ， 误差精度能达到0.1%以下由清华大学薛其坤院士领衔 ， 清华大学、中科院物理所和史丹福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破 ， 他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应 ， 这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象 ， 也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现 。相关效应