霍尔效应及其物理基础1
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霍尔效应[1]是磁电效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应的原理导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动,由于存在垂直于电流方向的磁场,电荷受到洛伦兹力,产生偏转,偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向,而且正电荷和负电荷偏转的方向相反,这样就产生了电势差。
补充上面的人:正电荷与负电荷偏转的方向是相同的,只是因为导体中导电的是电子,所以只有电子偏转,才会有在两面有电压。
在半导体中,有两种载流子(空穴与自由电子),而它们的偏转方向是相同的,产生的电压也只是多数载流子与少数载流子之差,即表现了多数载流子的效果。
正是因为这样,所以才能利用霍尔效应来判断N、P型半导体。
上面作补充这位:正负电荷的偏转方向是相同的,你从哪里听说的呢?另外,导体能够导电,是导体中的电子在外电场作用下作定向运动的结果,但一般并不会说来固体导电就是全靠电子,因为在原子的能带结构里面,在价带中(导体的价带是半满带)电子可以在外电场的作用下作定向运动,而因为导体的价带中电子是半满的,所以才不分少子和多子,也就是大家习惯说的“导体中导电的是电子”。
但是对于半导体甚至绝缘体,在价带是满带,也就是全被电子所占据,在一定的条件先,价带中的电子跃迁到导带中,成为自由电子,而在价带中留下一些“空洞”,这些“空洞”我们习惯成“空穴”(也就是大家平常说的“正电子”,它带正电),但实质上,是没有空穴这种东西的,只不过是在半导体中,为了简单化的描述它的一些特性或原理,大家喜欢用数量小的东西去描述,以简单化,才出来“空穴”这个东西。
但话说回来,如果从最最本质的导电原理来说,确实导电都是电子做定向运动的结果,但我们一般不会这么说。
但是你说两种载流子的偏转方向相同,这肯定不对,他们一个带正电,一个负电,受到的力的作用刚好相反。
大学物理实验报告霍尔效应一、实验目的1、了解霍尔效应的原理。
2、掌握用霍尔效应法测量磁场的原理和方法。
3、学会使用霍尔效应实验仪器,测量霍尔电压和励磁电流,并计算霍尔系数和载流子浓度。
二、实验原理1、霍尔效应置于磁场中的载流导体,如果电流方向与磁场方向垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一横向电势差,这种现象称为霍尔效应。
设导体中的载流子为电子,它们以平均速度 v 沿 x 方向定向运动。
在磁场 B 作用下,电子受到洛伦兹力 F = e v × B,其中 e 为电子电荷量。
洛伦兹力使电子向导体一侧偏转,从而在导体两侧产生电荷积累,形成横向电场 E。
当电场力与洛伦兹力达到平衡时,有 e E = e v B,即 E = v B。
此时产生的横向电势差称为霍尔电压 UH ,UH = E b ,其中 b 为导体在磁场方向的宽度。
2、霍尔系数霍尔电压 UH 与电流 I 和磁场 B 以及导体的厚度 d 有关,其关系式为 UH = R H I B / d ,其中 R H 称为霍尔系数。
对于一种材料,R H 是一个常数,它反映了材料的霍尔效应的强弱。
3、载流子浓度由 R H 的表达式,可推导出载流子浓度 n = 1 /(R H e) 。
三、实验仪器霍尔效应实验仪,包括霍尔样品、电磁铁、励磁电源、测量电源、数字电压表等。
四、实验内容与步骤1、连接实验仪器按照实验仪器说明书,将霍尔样品、电磁铁、励磁电源、测量电源和数字电压表正确连接。
2、测量霍尔电压(1)保持励磁电流 IM 不变,改变测量电流 IS 的大小和方向,测量对应的霍尔电压 UH 。
(2)保持测量电流 IS 不变,改变励磁电流 IM 的大小和方向,测量对应的霍尔电压 UH 。
3、绘制曲线根据测量数据,分别绘制 UH IS 和 UH IM 曲线。
4、计算霍尔系数和载流子浓度根据曲线的斜率,计算霍尔系数 R H ,进而计算载流子浓度 n 。
五、实验数据记录与处理1、实验数据记录表格| IM (A) | IS (mA) | UH1 (mV) | UH2 (mV) | UH3 (mV) | UH4 (mV) | UH (mV) |||||||||| 05 | 10 ||||||| 05 | 20 ||||||| 05 | 30 ||||||| 10 | 10 ||||||| 10 | 20 ||||||| 10 | 30 ||||||(注:UH1、UH2、UH3、UH4 分别为在不同测量条件下得到的霍尔电压值,UH 为其平均值。
霍尔效应实验原理霍尔效应是电磁学领域中的一个重要现象,在物理学、电子学等领域有着广泛的应用。
要理解霍尔效应实验原理,咱们得先从一些基础的电磁学知识说起。
想象一下,有一个导体,里面充满了可以自由移动的电荷。
当我们给这个导体通上电流的时候,电荷就会沿着导体定向移动,就好像在一条道路上奔跑的人群一样。
现在,我们把这个通有电流的导体放在一个磁场中。
磁场就像是一股神秘的力量,会对移动的电荷产生作用。
这个作用会导致电荷在导体中发生偏转。
具体来说,当电流沿着导体的某一方向流动时,如果磁场的方向垂直于电流的方向,那么电荷就会受到一个垂直于电流和磁场方向的力,这个力被称为洛伦兹力。
在这种情况下,电荷会在导体的一侧聚集,从而在导体的两侧产生一个电位差。
这个电位差就是霍尔电压。
那么,霍尔电压的大小和哪些因素有关呢?首先,它和通过导体的电流强度有关。
电流越大,电荷的移动数量就越多,受到的洛伦兹力也就越大,从而导致电荷的偏转更明显,霍尔电压也就相应增大。
其次,磁场的强度也是一个关键因素。
磁场越强,对电荷的作用就越大,霍尔电压也就越高。
此外,导体的性质,比如材料的类型、载流子的浓度等,也会影响霍尔电压的大小。
为了更准确地测量霍尔电压,进行霍尔效应实验时需要一些特定的设备和步骤。
实验中,通常会使用一个霍尔元件,这是一种专门用于测量霍尔效应的器件。
霍尔元件一般是一个薄片状的导体。
实验装置中,要有一个能够提供稳定电流的电源,以及一个能够产生均匀磁场的磁铁。
在进行实验时,先让电流通过霍尔元件,然后将霍尔元件放入磁场中。
通过测量霍尔元件两侧的电位差,就可以得到霍尔电压。
为了减小误差,还需要考虑一些因素。
比如,要确保电流和磁场的方向严格垂直,测量仪器的精度要足够高,实验环境的温度要稳定等等。
霍尔效应实验的原理有着非常重要的实际应用。
在电子学中,可以利用霍尔效应来测量电流、磁场强度等物理量。
比如说,霍尔电流传感器就是基于霍尔效应工作的,它能够非接触地测量电流,具有精度高、响应快等优点。
大物实验报告霍尔效应霍尔效应是物理学中一个非常重要的现象,它揭示了电流通过导体时所产生的磁场与磁场作用于导体上的电荷的关系。
在本篇文章中,我们将探讨大物实验报告中关于霍尔效应的内容。
首先,让我们来了解一下霍尔效应的基本原理。
当一个电流通过导体时,会在导体两侧产生不同的电势差。
这是因为电流所产生的磁场会与导体内的自由电子相互作用,导致电子在导体内部发生偏转。
这个偏转会导致电子在导体横向方向上积累,形成电荷分布不均的现象。
而这种电荷分布不均将产生一个电场,即霍尔电场,与磁场相互作用,最终形成一个沿导体横向方向的电势差,即霍尔电压。
在实验中,我们通常使用霍尔元件来观察和测量霍尔效应。
霍尔元件是由一块导电材料制成的,通常是半导体材料。
在霍尔元件中,有一个电流引线和两个电压引线,电流引线用于输入电流,而电压引线则用于测量霍尔电压。
当我们将电流引线连接到霍尔元件上,并通过电流引线输入电流时,我们可以通过测量电压引线之间的电势差来计算出霍尔电压。
通过实验,我们可以得到一组关于霍尔电压和电流的数据。
根据这组数据,我们可以绘制出霍尔电压与电流的关系曲线,这条曲线被称为霍尔电压-电流曲线。
这条曲线的斜率就是霍尔系数,它表示了电流通过导体时所产生的磁场与磁场作用于导体上的电荷之间的关系。
在实验报告中,我们通常会详细描述实验的步骤和条件,包括实验所用的材料和仪器,实验的环境条件等。
我们还会介绍实验的目的和背景,以及实验的原理和理论基础。
在实验结果的部分,我们会展示实验数据的处理和分析过程,包括绘制霍尔电压-电流曲线和计算霍尔系数等。
最后,我们会对实验结果进行讨论和总结,分析实验中可能存在的误差和不确定性,并提出改进实验的建议。
霍尔效应不仅在物理学中具有重要意义,而且在工程和应用领域也有广泛的应用。
例如,在电子设备中,霍尔元件常被用作磁场传感器,可以测量和检测周围环境中的磁场强度。
此外,霍尔效应还被应用于电流测量、速度测量以及导航系统等方面。
霍尔效应测磁场霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。
1879年美国霍普金斯大学研究生霍尔在研究金属导电机理时发现了这种电磁现象,故称霍尔效应。
后来曾有人利用霍尔效应制成测量磁场的磁传感器,但因金属的霍尔效应太弱而未能得到实际应用。
随着半导体材料和制造工艺的发展,人们又利用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到实用和发展,现在广泛用于非电量的测量、电动控制、电磁测量和计算装置方面。
在电流体中的霍尔效应也是目前在研究中的“磁流体发电”的理论基础。
近年来,霍尔效应实验不断有新发现。
1980年原西德物理学家冯·克利青研究二维电子气系统的输运特性,在低温和强磁场下发现了量子霍尔效应,这是凝聚态物理领域最重要的发现之一。
目前对量子霍尔效应正在进行深入研究,并取得了重要应用,例如用于确定电阻的自然基准,可以极为精确地测量光谱精细结构常数等。
在磁场、磁路等磁现象的研究和应用中,霍尔效应及其元件是不可缺少的,利用它观测磁场直观、干扰小、灵敏度高、效果明显。
【实验目的】1.霍尔效应原理及霍尔元件有关参数的含义和作用2.测绘霍尔元件的V H—Is,了解霍尔电势差V H与霍尔元件工作电流Is、磁感应强度B之间的关系。
3.学习利用霍尔效应测量磁感应强度B及磁场分布。
4.学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。
【实验原理】霍尔效应从本质上讲,是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。
当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积,从而形成附加的横向电场。
如图13-1所示,磁场B位于Z的正向,与之垂直的半导体薄片上沿X正向通以电流Is(称为工作电流),假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿着与电流Is相反的X负向运动。
由于洛仑兹力f L作用,电子即向图中虚线箭头所指的位于y轴负方向的B侧偏转,并使B侧形成电子积累,而相对的A侧形成正电荷积累。
霍尔效应一、简介霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall ,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
二、理论知识1. 1. 霍尔效应将一块半导体或导体材料,沿Z 方向加以磁场B,沿X 方向通以工作电流I ,则在Y 方向产生出电动势H V ,如图1所示,这现象称为霍尔效应。
H V 称为霍尔电压。
(a) (b)图1 霍尔效应原理图实验表明,在磁场不太强时,电位差H V 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比,与板的厚度d 成反比,即d IB R V HH =(1)或 IB K V H H =(2)式(1)中H R 称为霍尔系数,式(2)中H K 称为霍尔元件的灵敏度,单位为mv / (mA ·T)。
产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子(N 型半导体中的载流子是带负电荷的电子,P 型半导体中的载流子是带正电荷的空穴)在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
如图1(a )所示,一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄片,置于沿Z 轴方向的磁场B中,在X 轴方向通以电流I ,则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为j eVB B V e B V q F m -=⨯-=⨯=(3)式中V为电子的漂移运动速度,其方向沿X 轴的负方向。
e 为电子的电荷量。
m F 指向Y轴的负方向。
自由电子受力偏转的结果,向A 侧面积聚,同时在B 侧面上出现同数量的正电荷,在两侧面间形成一个沿Y 轴负方向上的横向电场H E (即霍尔电场),使运动电子受到一个沿Y 轴正方向的电场力e F,A 、B 面之间的电位差为H V (即霍尔电压),则 jb V e j eE E e E q F H H H H e ==-==(4)将阻碍电荷的积聚,最后达稳定状态时有0=+e m F F=+-j b V e j eVB H即b V eeVB H= 得 VBb V H =(5)此时B 端电位高于A 端电位。
《霍尔效应》知识清单一、什么是霍尔效应霍尔效应是指当电流垂直于外磁场通过半导体或导体时,在垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场,从而在半导体或导体的两端产生电势差的现象。
这个现象是由美国物理学家霍尔(Edwin Herbert Hall)在 1879 年发现的。
简单来说,如果我们把一个通电的导体或半导体放在磁场中,就像水流在有落差的地方会产生压力差一样,电流中的电荷在磁场中也会受到一种特殊的力,从而导致电荷在导体或半导体的一侧聚集,另一侧则相对缺少电荷,这样就在两端形成了电势差。
二、霍尔效应的原理要理解霍尔效应的原理,我们首先要了解电流的本质。
电流是由电荷的定向移动形成的,在导体中,通常是电子在移动;在半导体中,可能是电子,也可能是空穴(可以看作是带正电的粒子)在移动。
当电流通过导体或半导体时,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,那么运动的电荷就会受到洛伦兹力的作用。
以电子为例,洛伦兹力使得电子向一侧偏转,从而在导体或半导体的一侧积累电子,另一侧则出现电子的缺失,形成正电荷的积累。
这样就在垂直于电流和磁场的方向上产生了电场,当电场力与洛伦兹力达到平衡时,电荷就不再继续偏转,此时两端形成的稳定电势差就是霍尔电压。
三、霍尔效应的相关公式霍尔电压的大小可以用以下公式表示:$V_H = R_H\frac{IB}{d}$其中,$V_H$ 是霍尔电压,$R_H$ 称为霍尔系数,它与材料的性质有关;$I$ 是通过导体的电流,$B$ 是外加磁场的磁感应强度,$d$ 是导体在磁场方向上的厚度。
通过测量霍尔电压、电流和磁场强度,我们就可以计算出霍尔系数,进而了解材料的电学特性。
四、霍尔效应的应用1、测量磁场由于霍尔电压与磁场强度成正比,通过测量霍尔电压可以精确地测量磁场的强度和分布。
这在科学研究、工业生产(如电机制造、磁存储设备)等领域有着广泛的应用。
2、测量电流如果已知磁场强度和霍尔系数,通过测量霍尔电压可以间接测量电流的大小。
目录摘要 (1)关键词 (1)Abstract (1)Key Words (1)引言 (1)1.霍尔效应 (1)1.1霍尔效应的定义 (1)1.2霍尔效应的本质 (2)2.霍尔效应的发现 (2)2.1问题的提出 (2)2.2初步的实验 (3)2.3成功的实验 (3)2.4进一步的研究 (4)3.霍尔效应产生的物理原因 (4)4.霍尔效应的应用 (6)4.1测量磁场 (6)4.2霍尔效应在其他方面的一些应用 (6)结论 (7)参考文献 (7)霍尔效应及其物理基础摘 要:本文介绍了霍尔效应的定义、本质,讲述了霍尔效应的发现过程,以及它产生的物理原因,还简单介绍了利用霍尔效应测量磁场和其他方面的应用。
关键词:霍尔;霍尔效应;磁场Hall-effect and its physical basisAbstract: This article describes the definition of Hall-effect, the essence of theHall -effect , and tells of the discovery process of Hall-effect, as well as the physicalreasons .in addition ,it has also Simply introduced measuring magnetic field by usingHall-effect and other applications.Key words: Hoare ;Hall effect ;Magnetic field引 言霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall ,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
霍尔效应此后在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用,比如测量磁场的高斯计。
后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。
1.霍尔效应1. 1霍尔效应的定义将载流导体板(或半导体板)置于与垂直的磁场B 中,板内会出现与电流方向垂直的电场,相应地,板的两侧之间出现一个横向电压U 。
这个效应称为霍尔效应。
[1]xy图1 在磁场中的霍尔元件1.2霍尔效应的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。
2.霍尔效应的发现2.1问题的提出霍尔在阅读麦克斯韦的《电磁学》一书中的有关部分时,注意到其中一段话:“必须小心地记住,作用在穿过磁力线的有电流流过的导体上的机械力,不是作用在电流上的,而是作用在流过电流的导体上的。
”霍尔认为麦克斯韦这一论断与人们考虑这一情况时的直观推想是矛盾的。
不带电流的导线所受的作用力与电流的大小成正比,而作用力的大小通常与金属丝的尺寸和材料是没有关系的。
恰巧不久他又读到了瑞典物理学家Erik Edlund 1878年发表在《哲学杂志(Phi. Mag .)》上的一篇论文“单极感应Unipolar Induction)”,在那里作者明确指出,磁场作用在一固定导体中的电流上,与它作用在自由移动的导体上是完全相同的。
发现这两位物理学家的见解不同,请教了自己的导师罗兰教授。
罗兰说他也曾怀疑过麦克斯韦论断的真实性,以前也为此仓促地做了一下实验,但没有成功。
因为罗兰正忙于其他工作,没有打算立刻作出进一步的研究。
2.2初步的实验霍尔和罗兰初步考虑:“如果在固定导体中的电流本身受到磁场的作用,电流会被吸引到导体的一侧,因此所产生的电阻应该增加。
”[2]霍尔设想如果将在磁场中的导线时,有意识地加上磁场力后,能将电流拖向金属丝截面的狭窄部分,这样应当能看到电阻的增加,他选择的金属丝为大约0.51毫米粗的银丝。
将好几段较短的这种细丝从钢板上的三角孔中拔出,则其截面成为三角形,再将一段段短细丝焊接成约0.9米长的一整根。
最初,他发现加上磁场后测得的电阻有所增加,有一天,他突然想到这可能是由于电磁铁的磁极将热量传给螺旋金属丝,于是小心地排除了所有热效应的影响,原来观察到电阻值增加的情况就完全消除了。
霍尔认为,尽管该螺旋银丝的电阻在磁场的作用下没有发生改变,但还不足以说明磁场对电流没有影响;他设想磁场有可能有使电流产生朝者导线一侧偏转。
沿着这样的思路,他想到应当测量导体两侧对应点之间的电势差。
接着,他重复了罗兰以前的实验,将一个金属圆盘放在电磁铁的两极之间,使电流沿圆盘的一条直径流过。
用灵敏电流计的两输入端与圆盘的不同部分相连通,通过它监测电流的大小,在电磁铁未通电时找到两个几乎等电位的点,此时检流计几乎无电流流过,接通励磁电流后,重新观察检流计,以便检测出这两个输入端间电势的变化。
这次实验仍然没有给出正面的结果。
2.3成功的实验实验失败以后,霍尔作了认真的思考。
他将自己的考虑向罗兰教授作了说明,罗兰建议他试一试自己以前做过的实验。
霍尔根据罗兰的建议,用安装在玻璃板上的金箔窄条,按照上面的思路实验,在10月28日获得了磁作用的效果,检流计指针有明显的偏转,图2为霍尔亲手绘制的实验装置示意图[3]。
图2 霍尔亲手绘制的装置图他后来用与上述金箔具有相同长度和宽度的铜片(厚度为0.25毫米)代替金箔,检流计就没有检测出由于磁场作用产生的电流。
只有接通和断开励磁电路时会引起感应电流。
应当说霍尔先用了很薄的金箔,还是很幸运的。
罗兰用经典理论解释了霍尔效应。
他认为,在霍尔效应中,“(霍尔)电流绕着相对于磁力线固定的方向旋转,(其方向)一定程度上只依赖于磁力线,而不依赖欲电流。
这一事实看来立刻指向了另一很重要的旋转情况,即光的偏振面的旋转。
[4]”他将霍尔效应与法拉第的磁光效应作了对比,认为霍尔效应与光的偏振面的旋转是相同的或者具有相同的原因[5]。
2.4进一步的研究霍尔后来又研究了其他金属的这一效应,除金之外,还有银、铁、锡、镍和铂作了实验,发现“对任何特定的金属(除铁之外),横向电流(与磁场工作电流)的相对方向关系总是相同的”。
霍尔效应的发现受到了人们的重视,被开尔文称赞为可以与法拉第的最伟大的发现相比美的发现。
也激发了人们在这一领域的研究兴趣,三个副效应,即埃廷斯豪森效应、能斯特效应和里吉-勒迪克效应,很快发现了。
但是霍尔效应的广泛应用,是在被发现后大约70年的半导体技术兴起之后才开始的[6]。
3.霍尔效应产生的物理原因置于磁场中的有限导体板内,当有垂直于磁场的电流通过时,在既垂直电流又垂直磁场方向的导体两界面将产生电位差,这电位差表示为U A B=kIB/d式中I 为电流强度(x方向),B为磁感应强度(y方向),d为导体在磁场方向的宽度,k为霍尔系数[7]。
在说明霍尔效应产生的物理机制时,大多数教科书都解释得很简单,如:伯克利物理教程第二卷和国内出版的一些教科书、都用载流子受磁场中受洛仑兹力来说明,认为载流子(姑且认为是电子)在磁场中受洛仑兹力F=q(v×B),向上偏转沉积在导体界面上,使上下界面带不同种类电荷而产生电位差。
这里,我们用带电粒子在互相垂直的电磁场中的漂移运动来说明产生霍尔效应的物理原因。
在互相垂直的电磁场中,带电离子的漂移速度为υ=E⨯B/B2此式可用下面的方法得到。
带点离子总速度为v时,在电磁场中运动方程mdv/dt=eE+ev⨯Bm和e分别为带电粒子的质量和电荷。
做变换v=v'+υ此处υ为常速度,方程mdv/dt=eE+ev⨯B变为md v'/dt=e(E+υ⨯B)+e v'⨯BE+υ⨯B=0上面方程变为md v'/dt=e v'⨯B此式表明满足E+υ⨯B=0式条件时,带电粒子只受洛仑兹力作用(粒子只做圆周运动),由E+υ⨯B=0式解出υ,即υ=E⨯B/B2式。
所以有电场存在时,粒子除圆周运动v'外,还要在(1)式决定的方向上漂移,漂移速度就是υ。
电场力便使粒子回旋一个圆周不闭合,两侧曲率半径不同就产生了漂移(如图3)。
如果在x轴方向给一电场E,而沿着y轴为匀速磁场B,载流子(带电粒子)向z轴方向漂移。
图3 带电粒子漂移示意图若导体介质在z方向无界,则z方向不存在极化电位差U AB,但由载流子(电子)漂移却给出电流,称为霍尔电流,有界导体就阻断了霍尔电流,恰好给出霍尔电位差。
广义欧姆定律j+ωτj⨯B/B=δE式中ω是电子在磁场中回旋角频率,ω=eB/m, τ是电子的有效碰撞时间,δ为导体介质的电导率,由j+ωτj⨯B/B=δE式容易确定沿z方向的霍尔电流,为此,将j+ωτj⨯B/B=δE式写成j=δ'E+δH (B⨯E)/B其中δ'=δ/(1+ω2τ2), δH=ω.τ.δ, δ称横向电导率,δH 称霍尔电导率,由上式我们看到总电流由两部分组成,除了在电场方向给出电流外,第二项给出的霍尔电流在B⨯E的方向上,即沿z轴负方向,这正是电子向z轴正方向漂移的结果[8]。
4.霍尔效应的应用利用霍尔效应制成的霍尔元件有很多方面的用途。
例如可以测量磁场,测量直、交流电路的电流和功率以及转换信号等。
4.1测量磁场使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单,将霍尔器件做成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面得磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。
若不垂直,则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。
而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由计算机进行数据处理,可以得到场的分布状态,并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测。
4.2霍尔效应在其他方面的一些应用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,使之具备传感和开关的功能。
迄今为止,已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有:在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、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传感器、各种开关,等等。
例如:汽车点火系统,设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器,用作点火脉冲发生器。