光声效应及其应用

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霍尔效应及其应用

作者：王本菊

来源：《中国校外教育·理论》2011年第06期

霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔读研究生期间在做研究载流子导体在磁场中受力作用实验时发现的。阐述了霍尔效应的原理，霍尔元件的特点和分类以及在各个领域中的应用。

霍尔效应 霍尔元件 应用

一、霍尔效应原理

霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔读研究生期间在做研究载流子导体在磁场中受力作用实验时发现的。霍尔效应是载流试样在与之垂直的磁场中由于载流子受洛仑兹力作用发生偏转而在垂直于电流和磁场方向的试样的两个端面上出现等量异号电荷而产生横向电势差UH的现象。电势差UH称为霍尔电压，EH称为霍尔电场强度。此时的载流子既受到洛伦兹力作用又受到与洛伦兹力方向相反的霍尔电场力作用，当载流子所受的洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。

二、霍尔元件的特点和分类

1.霍尔元件的特点。霍尔元件的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，调试方便等。霍尔元件和永久磁体都能在很宽的温度范围(-40℃～1 50℃)、很强的振动冲击条件下工作，且磁场不受一般介质的阻隔。另外它的变换器组件能够和相关的信号处理电路集成到同一片硅片上，体积小，成本低，且具有较好的抗电磁干扰性能。

2.霍尔元件的分类。按照霍尔元件的结构可分为：一维霍尔元件、二维霍尔元件和三维霍尔元件。一维霍尔元件又被称为单轴霍尔元件，它的主要参数是灵敏度、工作温度和频率响应。运用此类器件时，就可将与适当的小磁钢一起运动的物体的位置、位移、速度、角度等信息以电信号的形式传感出来，达到了自动测量与控制的目的。二维霍尔元件的结构是二维平面，也被称为平面霍尔元件；三维霍尔元件通常被称为非平面霍尔元件。霍尔元件按功能可分为：线形元件、开关、锁存器和专用传感器。

霍尔效应及其应用

UH-Is关系(Im=0.700A, KB=3.76kGs/A, d=0.05cm) (表一)

Is(mA) U1(mV) U2(mV) U3(mV) U4(mV) UH=(U1-U2+U3-U4)/4(mV) RH(cm3/C) +B,+Is -B,+Is -B,-Is +B,-Is

1.00 -2.04 2.01 -2.00 2.05 -2.03 -3.847E+03

1.20 -2.44 2.39 -2.39 2.45 -2.42

-3.827E+03

1.40 -2.85 2.79 -2.78 2.85 -2.82 -3.823E+03

1.60 -3.26 3.20 -3.19 3.27 -3.23 -3.835E+03

1.80 -3.68 3.60 -3.60 3.68 -3.64 -3.842E+03

2.00 -4.08 3.99 -3.99 4.08 -4.04 -3.833E+03

作UH-Is曲线：

由公式：RH=UH•dIs•B ×10^8 （1）

B=KB•Im (2)

a.将实验测得的UH、Is代入上式，求RH并填入上表；

b.由UH和RH的符号,知电极A’电位低于电极A电位，结合图（3-4-1），可得实验所用霍尔元件的导电类型是N型。 -2.03

-2.42

-2.82

-3.23

-3.64

-4.04

-5.00-4.50-4.00-3.50-3.00-2.50-2.00-1.50-1.00-0.500.000.000.501.001.502.002.50UH-Is曲线UH(mV)Is(mA)

c.将RH值代入: n=1|RH|e

则载流子平均浓度：n=1e∑1|RHi|6i=16 (e=1.602×10−19C)

光声效应的原理及应用

1. 引言

光声效应是一种非线性光学现象，描述了由于光与声波的相互作用而引起的声光效应。通过将一个频率较高的激光束聚焦到介质中，然后通过声波的激励，在介质中引起声波密度的调制，进而导致光的散射。在这种过程中，光子与声子之间的相互作用导致了能量的传递，从而产生了光声效应。光声效应具有许多独特的特性，使其在各种应用中发挥了重要作用。

2. 光声效应的原理

光声效应的原理可以简单地描述为光的吸收、声波激励和光散射的相互作用。当一个脉冲激光束照射到介质中时，光子被吸收，并引起周围介质中的局部加热。该加热导致了介质中的温度升高，并在介质中产生了一个声波。这个声波在介质中传播，同时导致光的密度调制，从而产生了散射的光。光声效应的原理可以用下面的步骤总结：

• 激光束的吸收

• 温度增加和声波的产生

• 光密度调制

• 光的散射

3. 光声效应的应用

光声效应具有许多重要的应用，以下列举了一些典型的应用领域：

3.1 光声显微镜

光声显微镜是一种采用光声效应的显微镜，它结合了光学和声学的特点，可以获取高分辨率的图像。通过将样本置于显微镜中，然后使用激光束照射样本，光声显微镜可以获得活体细胞、组织和生物标记物的三维图像。光声显微镜在生物医学研究、生物医学成像和临床诊断中有广泛的应用。

3.2 光声成像

光声成像是利用光声效应来获取组织结构和功能信息的成像技术。通过将样本置于光束的聚焦区域，并使用探测器来记录由光声效应产生的声波信号，可以重建样本的图像。光声成像在医学成像、材料科学和纳米技术等领域具有广泛的应用。 3.3 光声光谱学

光声光谱学是一种通过测量光声效应产生的声波信号强度来分析样品的化学成分和结构的技术。在光声光谱学中，样本被照射并激发，通过分析由光声效应产生的声波信号的频率和幅度变化，可以确定样本的化学成分和结构。光声光谱学在材料科学、环境监测和生物医学研究中具有重要的应用。

光声效应：光声效应是由物质吸收能量和局部热激发而引起光与声波之间转换作用的结果。当快速脉冲光入射到样品物质，它们可以被吸收，然后，由此产生的能量将以热的形式辐射。由于周围介质压力的变化，这些热辐射会产生可被检测到的声波。随着麦克风和激光的发明，光声效应在新时代的光谱分析中作为一个重要的工具并将继续被应用于越来越多的领域。

亚历山大·格雷厄姆·贝尔第一次在他的探索无线通信1的方法中发现了光声效应，贝儿成功地用他发明被他称为的 “光感话筒”的装置传送了声音。通过用声音调制的反射镜反射太阳光线携带声音信号。这些声音可以被与被反射光照射的由硒制成的小室连接的普通电话接收器接收。1880-年贝尔在美国科学与进步协会主办的一个会议上公布了这个结果。

光感话筒

在使用电话的过程中，贝尔惊奇地发现：如果入射光突然中断——特别是近似千赫的光。声音可以直接从固体中产生，贝尔用一个旋转的槽轮机械地“切”在这个频率入射的太阳光。他指出，产生的声信号是依赖于样品的组合物，并正确地推测，这样的效果是由入射光的吸收引起的。

图2光谱测声器

认识到的光声效应在光谱学中的应用，贝尔发明了“光谱测声器”， “光谱测声器”本质上是一个普通的光谱仪配备了分光镜配备了听管，而不是一个目镜（图2）。当一个源对样品施加光时，可以通过声音来对样品进行分析。正如贝尔所指出的那样：当研究可见光谱的时候，耳朵的准确性是不可能和眼睛相比的。然而，“光谱测声器”为测定光谱提供了一种前所未有的可以超越可见的制度一种方法。

贝尔最初的实验集中在固体位相上的问题，但约翰·丁达尔、威廉·伦琴之后在液体和气体中进行的实验显示了同样的效果。廷德尔是第一个发现在大多数情况下，物质产生的声音的强度是直接正比于物质吸收的热量，或等价于物质所被施加光的强度。