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霍尔效应的原理及应用

更新时间:2022-10-25 点击量:1766

霍尔效应的原理及应用

霍尔效应电磁效应的一种,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制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在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。霍尔效应应使用左手定则判断。

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  原理:
  1879年霍尔(A.H.Hall)在实验中发现:在均匀强磁场B中放入一块板状金属导体,并与磁场B方向垂直如图1,在金属板中沿与磁场B垂直的方向通以电流I的时候,在金属板上下表面之间会出现横向电势差UH 这种现象称为霍尔效应,电势差UH 称为霍尔电势差。进一步的观察实验还指出,霍尔电势差UH 大小与磁感应强度B和电流强度I的大小都成正比,而与金属板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V);式中RH——(m^3*C^-1)仅与导体材料有关,称为霍尔系数

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  应用:
  霍尔效应在应用技术中特别重要。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,那么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。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。采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,并可将这些变量进行二次变换;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摄氏度范围内工作,全部密封不受水油污染,能够适应汽车的恶劣工作环境。

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霍尔效应 Hall Effect

电流垂直于外磁场方向通过导体时,在同时垂直于电流和磁场方向上,导体两侧出现电势差的现象。它是1879年E.H.霍尔发现的。如果通过导体的电流密度为J,外磁场在导体中引起的磁感应强度为B,霍尔电势差VH相应的霍尔电场为EH,则有:

  EH=RHJxB

  式中比例系数RH称为霍尔系数,是导体材料的特征量。

  对于金属,设沿x方向的电流密度Jx=-nevx,磁感应强度B沿z方向,速度为-vx的电子在磁场中受到的洛伦兹力Fy沿+y方向,即Fy=+evxBz。这样在导体的-y端积累负电荷,+y端有正电荷,产生霍尔电场EH,它作用于电子上的力为-eEH。两力平衡时电荷积累过程停止,满足-eEH+ evxBz=0,即:EH=vxBz=-1/ne(JxBz)

  得霍尔系数:

  RH=-1/ne

  所以测量金属的霍尔效应可得到金属中传导电子的密度n。有些金属RH为正,这是空穴参与导电的结果。

  对于N型的半导体,其霍尔系数RH=-1/ne。如果是P型半导体,由于空穴带正电荷,电流沿x方向,则电流密度Jx=ρevρ为空穴密度,其霍尔系数为RH=1/ρe。测量半导体的霍尔效应可判别材料的导电粒子的类型和密度。

电流垂直于外磁场方向通过导体时,在同时垂直于电流和磁场方向上,导体两侧出现电势差的现象。它是1879年E.H.霍尔发现的。如果通过导体的电流密度为J,外磁场在导体中引起的磁感应强度为B,霍尔电势差VH相应的霍尔电场为EH,则有: EH=RHJxB 式中比例系数RH称为霍尔系数,是导体材料的特征量。 对于金属,设沿x方向的电流密度Jx=-nevx,磁感应强度B沿z方向,速度为-vx的电子在磁场中受到的洛伦兹力Fy沿+y方向,即Fy=+evxBz。这样在导体的-y端积累负电荷,+y端有正电荷,产生霍尔电场EH,它作用于电子上的力为-eEH。两力平衡时电荷积累过程停止,满足-eEH+ evxBz=0,即:EH=vxBz=-1/ne(JxBz) 得霍尔系数: RH=-1/ne 所以测量金属的霍尔效应可得到金属中传导电子的密度n。有些金属RH为正,这是空穴参与导电的结果。 对于N型的半导体,其霍尔系数RH=-1/ne。如果是P型半导体,由于空穴带正电荷,电流沿x方向,则电流密度Jx=ρevρ为空穴密度,其霍尔系数为RH=1/ρe。测量半导体的霍尔效应可判别材料的导电粒子的类型和密度。



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