霍爾效應(yīng)的原理及應(yīng)用

霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。
　　原理：
　　1879年霍爾(A.H.Hall)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在均勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中放入一塊板狀金屬導(dǎo)體，并與磁場(chǎng)B方向垂直如圖1，在金屬板中沿與磁場(chǎng)B垂直的方向通以電流I的時(shí)候，在金屬板上下表面之間會(huì)出現(xiàn)橫向電勢(shì)差UH 這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，電勢(shì)差UH 稱為霍爾電勢(shì)差。進(jìn)一步的觀察實(shí)驗(yàn)還指出，霍爾電勢(shì)差UH 大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流強(qiáng)度I的大小都成正比，而與金屬板的厚度d成反比。即UH =RHIB/d (V)；式中RH——（m^3*C^-1）僅與導(dǎo)體材料有關(guān)，稱為霍爾系數(shù)。
　　應(yīng)用：
　　霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要?；魻柊l(fā)現(xiàn)，如果對(duì)位于磁場(chǎng)(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電流(Iv)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH)，人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路， 本來(lái)大家是均勻的分布在路面上, 往前移動(dòng)。當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)， 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走。故路 (導(dǎo)體) 的兩側(cè)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差。這個(gè)就叫“霍爾效應(yīng)"。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場(chǎng)為工作媒體，將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開(kāi)關(guān)的功能。
　　迄今為止，已在現(xiàn)代汽車(chē)上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車(chē)速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開(kāi)關(guān)，等等。
　　例如汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器，用作點(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場(chǎng)在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級(jí)電流。相對(duì)于機(jī)械斷電器而言，霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無(wú)磨損免維護(hù)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能精確地控制點(diǎn)火正時(shí)，能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　用作汽車(chē)開(kāi)關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道，轎車(chē)的自動(dòng)化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車(chē)上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。采用功率霍爾開(kāi)關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。
　　霍爾器件通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車(chē)各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。如今的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng)，可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，*適應(yīng)汽車(chē)的惡劣工作環(huán)境。

              霍爾效應(yīng) Hall Effect

電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在同時(shí)垂直于電流和磁場(chǎng)方向上，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象。它是1879年E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)的。如果通過(guò)導(dǎo)體的電流密度為J，外磁場(chǎng)在導(dǎo)體中引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，霍爾電勢(shì)差VH相應(yīng)的霍爾電場(chǎng)為EH，則有：

　　EH=RHJxB

　　式中比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)，是導(dǎo)體材料的特征量。

　　對(duì)于金屬，設(shè)沿x方向的電流密度Jx=-nevx，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿z方向，速度為-vx的電子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力Fy沿+y方向，即Fy=+evxBz。這樣在導(dǎo)體的-y端積累負(fù)電荷，+y端有正電荷，產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH，它作用于電子上的力為-eEH。兩力平衡時(shí)電荷積累過(guò)程停止，滿足-eEH+ evxBz=0，即：EH=vxBz=-1/ne（JxBz）

　　得霍爾系數(shù)：

　　RH=-1/ne

　　所以測(cè)量金屬的霍爾效應(yīng)可得到金屬中傳導(dǎo)電子的密度n。有些金屬RH為正，這是空穴參與導(dǎo)電的結(jié)果。

　　對(duì)于N型的半導(dǎo)體，其霍爾系數(shù)RH=-1/ne。如果是P型半導(dǎo)體，由于空穴帶正電荷，電流沿x方向，則電流密度Jx=ρevρ為空穴密度，其霍爾系數(shù)為RH=1/ρe。測(cè)量半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)可判別材料的導(dǎo)電粒子的類(lèi)型和密度。

電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在同時(shí)垂直于電流和磁場(chǎng)方向上，導(dǎo)體兩側(cè)出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象。它是1879年E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)的。如果通過(guò)導(dǎo)體的電流密度為J，外磁場(chǎng)在導(dǎo)體中引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，霍爾電勢(shì)差VH相應(yīng)的霍爾電場(chǎng)為EH，則有： EH=RHJxB 式中比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)，是導(dǎo)體材料的特征量。 對(duì)于金屬，設(shè)沿x方向的電流密度Jx=-nevx，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿z方向，速度為-vx的電子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力Fy沿+y方向，即Fy=+evxBz。這樣在導(dǎo)體的-y端積累負(fù)電荷，+y端有正電荷，產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH，它作用于電子上的力為-eEH。兩力平衡時(shí)電荷積累過(guò)程停止，滿足-eEH+ evxBz=0，即：EH=vxBz=-1/ne（JxBz） 得霍爾系數(shù)： RH=-1/ne 所以測(cè)量金屬的霍爾效應(yīng)可得到金屬中傳導(dǎo)電子的密度n。有些金屬RH為正，這是空穴參與導(dǎo)電的結(jié)果。 對(duì)于N型的半導(dǎo)體，其霍爾系數(shù)RH=-1/ne。如果是P型半導(dǎo)體，由于空穴帶正電荷，電流沿x方向，則電流密度Jx=ρevρ為空穴密度，其霍爾系數(shù)為RH=1/ρe。測(cè)量半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)可判別材料的導(dǎo)電粒子的類(lèi)型和密度。