霍尔效应及应用实验

霍尔效应及应用实验（共7篇）

篇1：霍尔效应及应用实验

实验报告——霍尔效应

勾天杭

PB05２10273

4+ 数据处理: 1、保持 Im＝0．45Ａ不变,作Ｖh-Ｉs 曲线注意有效位数得选取 1 3、5 1。５ 5.2３2５ ２ 6、9７25 2。5 8.715 3 1０、4５5 ３。5 １2。1８7５ 4 13.92 4.５ 1５、6575

Lｉnear Regｒeｓsioｎ for Data1_Ｆ:

处理数据要有误差分析 Y = A ＋ Ｂ ＊ X Parａmeter rorrE eulａVﻩ－-————-——－——－－—－-—－-－——-—--—-—－－--——－--—－--—－-－——--—--—-——-— A 8６3０0。0 935２0、0

ﻩB 42１00、０ 447４、３

ﻩ—－－—-－——---—－—-—－—-－---－—-———-—－-－-－——---——-———--—－－—-—-—--— R

DＳﻩ N

Ｐﻩ--——-－—－-－-—-—---—－——--—－--—－－-——－——----——－-－—－－－-—－-—-—-—-— 1 １0０0。0＜ﻩ8ﻩ1０４00.0ﻩ-———--—----－ ——-— － — －-—--－ － － －-－-－ ——-— － —— －—————————--—－—－-—－—－— 2、保持 Is=4。５mA 不变,作 Vh—Ｉm 曲线有效数字得保留 Im Ｖh 0。１ 3.3７７5

0。１5 5.05 0、2 6。7825 ０。25 8。５3７5 0.3 1０.3 0.35 12、14５ 0。４ 13、9075 0。45 １５、６5２5

Lｉneaｒ Regresｓｉon foｒ Ｄａｔａ３_F: Y = A + Ｂ * X Paｒametｅr eulaＶﻩ Errｏr--——-— －-—— －--—-—— － － － － －----—--－ —--－-—— －-—---—--————---—-—---－ A

—0。２2５5１ 3４６4０、0ﻩB

３5、２5２98 ０。15586 －-——-－ ———---—— －-———---——-－ － —-－ － —-— － －---—--———— －——-———－－——－--R

ＮﻩDSﻩ

Ｐﻩ-－--－-—－—－－-—--—----—－—--－——－—－-－－－---—-－－——-－—－－-———-－—－---0。9９9９4 1000、0＜ﻩ８ﻩ１5050、0ﻩ—－——-—－-－—--——-－—--——--－-－-——-－—----－－———----－—－———－-－---—-－ 3、在零电场下取 Iｓ＝0。1mA,测得 Vσ=9、21ｍV;—9、2０mV

４、确定样品得导电类型:

假设样品中得载流子为空穴,则载流子得速度方向与电流一致。可以判定,此时正电荷受力向上,即上边积累正电荷,下边无电荷、如果实验测得Ｕ 粉白 >0,说明假设就是正确得。反之,载流子为电子、实验结果为 U 粉白 〈0。∴载流子为电子。

下面计算 R Ｈ ,ｎ,σ,μ。

线圈参数=4400GS／Ａ;d=0．20mｍ;b=3.0mm;L=５。0ｍm 取步骤一中得数据,Im=0。45A;由线性拟合所得直线得斜率为 3、4７４4(Ω)。结合;B=Im＊线圈参数=19８0GS=0、198T;有Ω。

若取 d 得单位为ｃm;磁场单位 GS;电位差单位Ｖ;电流单位Ａ;电量单位 C;代入数值,得Ｒ Ｈ

=3５09。5cm 3 ／C。n=１/R H ｅ＝1.78*1０ 15 cm— 3。

＝0。０9053(Ｓ/m);

=3。１７7１5(cm2 /Vs)。

思考题: 1、若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致,对测量结果有何影响,如果用实验方法判断 B 与元件发现就是否一致？ 如左图,若磁场方向与法线不一致,载流子不但在上下方向受力,前后也受力(为洛仑兹力得两个分量);而我们把洛仑兹力上下方向得分量当作合得洛仑兹力来算,导致测得得 Vh 比真实值小。从而,ＲＨ偏小,n 偏大;σ偏大;μ不受影响。可测量前后两个面得电势差。若不为零,则磁场方向与法线不一致。

2、能否用霍尔元件片测量交变磁场？电荷交替在上下面积累,不会形成固定得电势差,所以不可能测量交变得磁场 我认为可以用霍尔元件侧交变磁场。由于霍尔效应建立所需时间很短(1０－12～10-1４s),因此霍尔元件使用交流电或者直流电都可、交流电时,得到得霍尔电压也就是交变得、根据本试验中得方法,可求得磁感应强度得有效值;磁场得频率应与磁化电流得频率一致。

篇2：霍尔效应及应用实验

1. 保持 不变，使Im从0.50到4.50变化测量VH.

可以通过改变IS和磁场B的方向消除负效应。在规定电流和磁场正反方向后，分别测量下列四组不同方向的IS和B组合的VH,即

+B， +I

VH=V1

—B， +

VH=-V2

—B， —I

VH=V3

+B， -I

VH=-V4

VH = (|V1|+|V2|+|V3|+|V4|)/4

0.50

1.60

1.00

3.20

1.50

4.79

2.00

6.90

2.50

7.98

3.00

9.55

3.50

11.17

4.00

12.73

4.50

14.34

画出线形拟合直线图：

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 0.11556 0.13364

B 3.16533 0.0475

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

0.99921 0.18395 9 <0.0001

2.保持IS=4.5mA ,测量Im—Vh关系

VH = (|V1|+|V2|+|V3|+|V4|)/4

0.050

1.60

0.100

3.20

0.150

4.79

0.200

6.90

0.250

7.98

0.300

9.55

0.350

11.06

0.400

12.69

0.450

14.31

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 0.13389 0.13855

B 31.5 0.49241

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

0.99915 0.19071 9 <0.0001

基本满足线性要求。

2. 判断类型

经观察电流由A’向A流,B穿过向时电势上低下高所以载流子是正电荷空穴导电。

4.计算RH，n，σ，μ

线圈参数=5200GS/A;d=0.50mm;b=4.0mm;L=3.0mm

取Im=0.450A;由线性拟合所得直线的斜率为3.165(Ω)。

;

B=Im*5200GS/A=2340T;有 Ω。

若取d的单位为cm;

磁场单位GS;电位差单位V;电流单位A;电量单位C;代入数值,得RH =6762cm3/C。

n=1/RHe=9.24E14/cm-3。

=0.0473(S/m);

=3.198(cm2/Vs)。

思考题：

1、若磁场不恰好与霍尔元件片底法线一致，对测量结果有何影响，如果用实验方法判断B与元件发现是否一致?

答：若磁场方向与法线不一致，载流子不但在上下方向受力，前后也受力(为洛仑兹力的两个分量);而我们把洛仑兹力上下方向的分量当作合的洛仑兹力来算，导致测得的Vh比真实值小。从而，RH偏小，n偏大;σ偏大;μ不受影响。

可测量前后两个面的电势差。若不为零，则磁场方向与法线不一致。

2、能否用霍尔元件片测量交变磁场?

篇3：霍尔效应及应用实验

大学物理实验中复杂数据处理时一般采用作图法, 其中最小二乘法是一种比较精确的曲线拟合的方法, 其方法直观、简便, 但是作图法误差较大, 随机性也较大, 并且在作图纸上拟合曲线不可避免地会引入人为误差。MATLAB语言功能强大、界面友善、语言自然、开放性强, 成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真及教学不可缺少的基础软件。应用MATLAB处理物理实验数据既可减少工作量, 又简便易学, 同时能画出较准确的拟合曲线。

二、霍尔效应实验原理

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作用而引起的偏转所产生的。实验是通过测定霍尔电压来完成霍尔系数的测量, 霍尔系数是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。经过理论推导得到公式, 式中是霍尔系数, Is是通过霍尔元件的电流, Vh是霍尔电压, B是垂直于电流方向的磁感应强度, d是霍尔元件的厚度。只要测出Vh及已知Is、B、d, 就可按公式计算求出Rh (单位为米3/库仑) 。

三、实验数据与处理

1. 数据测量与记录。

保持Im=0.600A不变, 改变Is测量所对应的Vh的值, 并记录数据如下表1。

保持Is=3.00mA不变, 改变Im测量所对应的Vh的值, 并记录数据如下表2。

2. MATLAB语言进行最小二乘法实验数据处理。

应用MATLAB语言处理数据, 只需输入数组并用polyfit语言完成曲线的拟合, 得到y1=k*x1+b, 再用plot类语句即可完成绘图。

下面以绘制Vh—Is拟合曲线为例演示MATLAB语言最小二乘法数据处理。编程如下, 拟合曲线见图1, 同理得到的最小二乘法拟合曲线Vh—Im如图2。

四、结论

应用MATLAB进行霍尔效应物理实验进行最小二乘法数据处理, 与手动作图或其他语言如C语言比较, 操作简便、直观、易于掌握并便于修改, 是科研和实验数据处理强有力的工具。

参考文献

[1]凌亚文.大学物理实验[M].北京:科学出版社, 2005.

篇4：霍尔效应及应用实验

实验名称： 霍尔元件灵敏度测定及应用

一

目的

1、进一步了解霍尔效应；

2、掌握霍尔元件灵敏度及其特性的测量方法。

3、测定电磁铁磁场特性

二

仪器

VAAH电压测量双路恒流电源，SH500霍尔效应实验装置，MR-1磁阻效应实验装置。

三

原理

1、霍尔效应及其霍尔灵敏度

将金属片置于磁场中，让磁场垂直通过薄片平面。沿薄片的纵向通以电流，则在薄片的两侧面会出现微弱的电压。这就是霍尔效应，横向产生的电压叫霍尔电压，符号VH。

VHRHIBd

（1）

霍尔系数RH=（en）-1=C；n为薄片中载流子的浓度，e为电子带电量，d 为薄片的厚度。

VH=KHIB

（2）

KH——霍尔灵敏度，它表示该元件产生霍尔效应的强弱，即在单位磁感应强度B和单位控制电流I时，产生霍尔电压的大小。

2、电磁铁气隙的磁场

本实验利用电磁铁装置产生一个已知的磁场

B0NIL1ML2r

（3）

0——真空磁导率；N——励磁线圈的匝数；IM——线圈中的励磁电流； L1——气隙距离；

L2——铁芯磁路平均长度；r——铁芯相对磁导率； 本实验r =1500

3、电磁铁气隙中心的磁场系数

KHICHIM

（4）

R——中心磁场的磁场系数 RBIMVH四

教学内容

（一）磁感应强度一定，变化控制电流时霍尔元件灵敏度测定

接好线路，并打开恒流源后面的开关，在一定的ICH，IM值下，调节霍尔元件在气隙里的位置和角度，使霍尔电压VH显示的数值最大为止。

1、IM=200mA，依次改变：ICH=0.50,1.00,1.50,2.00,2.50,3.00,3.50,4.00,4.50,5.00，5.50，6.00，6.50，7.00mA，测量出相应的霍尔电压VH的值。

2、利用开关k1,k2依次改变IM与ICH电流的方向，记录相应的数值。

3、用逐差法处理数据。

（二）控制电流一定，电磁铁气隙中心磁场系数的测定

1、连接线路，调节霍尔元件在气隙里处于垂直与中心位置。

2、ICH=1.00mA，依次改变IM=100，200，300，400，500，600，700，800mA 测量出对应的霍尔电压VH值，并利用开关k1,k2依次改变IM与ICH电流的方向，记录相应的数值。

3、用作图法处理数据。五 教学组织及教学要求

1、教学组织

1、检查学生的预习报告，同时给学生大约10-15分钟的时间熟悉仪器和连接电路。

2、讲解实验要点及注意事项，同时以提问的方式检查学生对实验原理的理解和预习情况。

3、讲解实验过程中容易出现的问题、故障及解决方法。

4、随时注意学生的操作过程，及时指导学生实验操作中出现的问题。

2、教学要求

1、正确连接电路。

2、按教学内容所要求的步骤进行实验操作。

六 重点及难点

1、重点

实验原理的理解

2、难点

本实验操作相对容易，不太困难，但实验数据处理容易出错，要注意各物理量单位的换算。

七 实验中容易出现的问题及注意事项

1、仪器有时会出现接触不良问题，具体表现为显示数字一直为0或者数字不稳定，出现这类问题应检查各电路接头是否连接可靠，在一些旧仪器中可能出现换向开关接触不良问题，临时解决办法是多拨动几次，直到数字稳定为止。

3、元件的控制电流ICH最大不能超过30m A，否则将损坏元件。

4、霍尔片很脆，不可受撞击，故实验操作时应小心谨慎，调节时动作应缓慢。

八 实验参考数据

霍尔器件的灵敏度各个不同，具体数据在器件上有标出。

九 实验结果检查方法

1、检查实验内容

（一）中霍尔工作电流在3.50mA处的输出电压与实验内容

（二）中励磁电流700mA处的数据是否接近。

2、数据表中是否出现异常数据

十 课堂实验预习检查项目

1、本实验所用的公式以及公式中各物理量所代表的意义？

2、实验内容

（一）与实验内容

（二）的相同之处与不同之处？

3、注意事项？

十一 思考题

1、为什么每个VH值，均要利用开关k1,k2依次改变IM与ICH电流的方向各测4次后取其绝对平均值？

2、实验中为什么要求调节霍尔元件在气隙中的位置和角度，使霍尔电压VH值显示数值达到最大为止？

篇5：霍尔效应及应用实验

一、改进方案

1. 仪器的选取。

现在大学物理实验中霍尔效应测磁场所用仪器为螺线管磁场实验仪与霍尔效应测试仪, 这两种仪器均为集成化程度较高的仪器, 大大限制了学生开发思维和自制装置测磁场的能力。我们选取的磁场源为一对条形磁铁;霍尔元件是一霍尔片 (其霍尔系数和最大限制电流已知) ;毫伏表一只, 用来测量霍尔电压;毫安表一只, 用来测量霍尔电流;开关两只, 可控制总电路和霍尔片工作电路;稳压电源一只, 用来提供霍尔片工作电流;电阻一只, 作为限流电阻;为了将霍尔片固定, 采用空心圆柱体 (如笔芯等) , 利用胶水等粘性物质将霍尔片固定于其底部;量角器一只, 用来指示霍尔片法线方向;带有坐标的胶片一张, 用来确定所测点的坐标;有机玻璃一块, 与胶片固定在一起, 作为辅助器件;导线若干, 用来连接电路;乳胶, 用来固定条形磁铁和霍尔片。

2. 实验装置设计。

本实验所依据的原理仍为霍尔效应测磁场原理, 测量三维空间的磁场分布是测量二维空间磁场分布的扩展, 在这里, 我们以测量二维空间磁场分布为例来设计实验装置。由所选器件进行设计装置线路的具体思路为:所测对象为一对条形磁铁周围产生的磁场, 条形磁铁需要固定, 这里用一块有机玻璃作为支撑物, 用乳胶将条形磁铁将其固定;为了测霍尔电压和电流, 需要将霍尔片的两对边焊接上导线, 由于霍尔片较小, 在实验时为了获得可靠的数据, 不能用手直接接触, 所以需将其用乳胶固定于一空心圆柱体 (如笔芯等) 下端, 并使其法线方向在水平面内;霍尔片的工作电流由稳压电源提供, 其电流值由毫安表指示, 霍尔电压由毫伏表指示。为了保护电路, 用一只电阻作为限流电阻, 一只单刀开关用来接通和切断电路。因为某点的磁场具有方向, 所以为了指示该方向, 将一张带有坐标的胶片附于玻璃板之上, 用一挖去中心的量角器指示霍尔片的法线方向, 扩展到测量三维空间的磁场分布。

二、实验结果的效应

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) 施加一个电压 (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。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, 能够较大幅度地提高发动机的性能, 具有明显的优势。

三、方案优缺点分析

1. 实验方案。

对于现在大学物理实验中的霍尔效应测磁场项目, 所用装置中的霍尔片只能沿螺线管中轴线移动, 且霍尔片法线方向只能保持水平而不能转动, 所以只能测出螺线管中轴线上的磁场分布, 本实验所测对象为一对条形磁铁在二维空间 (水平面内) 的磁场分布。设计的具体方案为:将霍尔片放置于所测磁场中的任意位置, 令其转动一周, 观察测得霍尔电压的大小及霍尔片法线的方向, 当霍尔电压最大时对应的磁感强度值即为该点的磁场大小, 此时霍尔片的法线方向即为该点磁场的方向, 从而可将所测点的磁场确定下来。

2. 实验方法。

改变霍尔片的位置, 即可确定出二维空间中各点的磁场。此方法可以测量磁场, 而无法测量周围磁场。本实验方案克服了以上缺点, 可以使霍尔片在未知磁场中随意移动, 且霍尔片法线方向可随意转动, 根据霍尔效应测磁场原理, 通过将霍尔片法线在空间任一点转动, 观测最大霍尔电压值及此时霍尔片的法线方向, 确定出所测点的磁场大小及方向。因而该实验可测量空间任一点的磁场。本实验方案着重对大学物理实验中霍尔效应测量磁场实验的方法改进应测量磁场实验方法的改进, 着重培养学生的创新思维, 但对消除一些实验附加效应、实验数据精度等考虑不多。如果想消除附加效应, 同样可以通过改变霍尔电流和磁场方向来消除, 利用精度比较高的电表来提高实验数据精度。

四、结束语

篇6：霍尔效应的应用及其展望

1 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 (如图1) 。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。

在电子发现之前, 人们不能认识到霍尔效应现象产生的本质, 直到19世纪末电子的发现以及对电子研究的不断深入, 使霍尔效应的理论研究不断取得突破性的成果。由于霍尔效应的大小直接与样品中的载流子浓度相关, 故在凝聚态物理领域获得了广泛地应用, 成为金属和半导体物理中一个重要的研究手段。

2 霍尔元件的应用与发展状况

霍尔效应被发现后, 人们做了大量的工作, 逐渐利用这种物理现象制成霍尔元件。霍尔元件一般采用N型锗 (Ge) , 锑化铟 (In Sb) 和砷化铟 (In A) 等半导体材料制成。锑化铟元件的霍尔输出电势较大, 但受温度的影响也大;锗元件的输出电势小, 受温度影响小, 线性度较好。因此, 采用砷化铟材料做霍尔元件受到普遍的重视。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化, 可在各种与磁场有关的场合中使用。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量, 后者输出数字量。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点, 它们的结构牢固, 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。霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高 (可达μm级) 。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽, 可达-55~150℃。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性, 后者是检测受检对象上人为设置的磁场, 用这个磁场来作被检测的信息的载体, 通过它, 将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等, 转变成电量来进行检测和控制。

3 霍尔效应研究领域的展望

自从1879年24岁的研究生霍尔 (Edwin H.Hall) 在发现霍尔效, 随着半导体物理学的迅猛发展, 霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系, 还可以求出半导体材料的杂质电离能等参数。在霍尔效应发现约100年后, 德国物理学家克利青 (Klaus von Klitzing) 等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应, 它不仅可作为一种新型电阻标准, 还可以改进一些基本产量的精确测定, 是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一, 克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦 (D.C.Tsui) 和施特默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。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步, 他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。日本的物理学家日前发现。理论上来说, 光学也有等同于霍尔效应的现象发生。而且此理论应该可以利用偏振光加以实验证明。

4 霍尔效应应用领域的展望

4.1 高灵敏度。

有资料显示, 有一种高灵敏度霍尔传感器, 它基于霍尔传感器原理, 并且集成了磁通集中器。产品的主要创新就在于利用了成熟的微电子集成工艺, 制造低成本的磁通集中器。其磁通集中器直接集成在已带有成千霍尔敏感单元的硅片上, 再将硅片切割成单个的霍尔探针, 最后封装成标准的集成电路芯片。这种集成化的磁通集中器的单元成本只占传感器成本的六分之一, 传感器的检测灵敏度却可提高五倍以上。

4.2 微型化。

瑞士联邦技术研究所最新研制的超小型三维霍尔传感器工作面不到300×300um, 只有六个管脚。这种器件特别适合用于空间窄小的检测环境, 例如电动机中的间隙、磁力轴承以及其他象永磁体扫描等需接近测量表面的场合。

4.3 新的霍尔元件结构。

常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件, 且在整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况, 需要根据磁场分布情况, 设计各种各样相应的非平面霍尔结构。其中, 垂直式霍尔器件是一种最近新发展出来的。这种垂直式霍尔片具有低噪声、低失调和高稳定性的特点。目前根据这种原理国际上开展了许多研究项目。

4.4 高集成度。

国外霍尔传感器的发展方向就是采用CMOS技术的高度集成化, 同样功能可以集成在非常小的芯片内, 如信号预处理的最主要部分已在霍尔器件上完成, 其中包括前置放大、失调补偿、温度补偿、电压恒定, 并且可以在芯片上集成许多附加功能, 如数据存储单元、定时器A/D转换器、总线接口等, 所有这些都采用CMOS标准, 它们开辟了霍尔器件新的应用领域。目前, 铁磁层的集成技术在磁传感器领域开创了新的研究方向, 许多研究人员正致力于这方面的研究, 进行中的各种课题包括二维和三维霍尔传感器, 磁断续器和磁通门等等。

综上所述, 由于采用了微电子工艺, 硅霍尔传感器能很好的适用于许多工业应用。近期硅霍尔传感器的研究进展开辟了许多新的应用, 例如单芯片三维高精度磁探头, 无触点角位置测量, 微电机的精确控制, 微型电流传感器和磁断续器, 以及今后将被开发的其他崭新应用。此外, 为了提高电压灵敏度和横向温度灵敏度、减少失调电压, 还将出现新的测量原理与方法, 例如等离子霍尔效应及其传感器。随这人类科技的进步, 人们对自然认识的逐步加深, 将创造出更辉煌的业绩。

摘要：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。本文阐述了霍尔效应的原理及其在霍尔效应研究领域与应用领域的展望。

关键词：霍尔效应,应用,展望

参考文献

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[10]施特伦普夫, 等.基础英语语法——语法圣经[M].北京:中国对外翻译出版公司, 2004.

篇7：例说霍尔效应的五类应用

后来研究发现半导体、导电流体等也有霍尔效应,且半导体的霍尔效应比金属强得多.利用这种效应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,下面结合例题探讨霍尔效应的应用.

一、测量载流子浓度

导体单位体积内电子的个数叫做载流子的浓度,根据霍尔电压产生的公式以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的浓度.半导体的载流子浓度远比金属中的载流子浓度小,并且受温度、杂质及其它因素的影响很大,因此霍尔效应是研究半导体载流子浓度变化的重要方法.

例1利用如图2所示的方法可以测得金属导体中单位体积内的自由电子数n,现测得一块横截面为矩形的金属导体的宽为b,厚为d,并加有与侧面垂直的匀强磁场B,当通以图示方向电流I时,在导体上、下表面间用电压表可测得电压为U,已知自由电子的电量为e,则下列判断正确的是()

(A)下表面电势高

(B)上表面电势高

(C)该导体单位体积内的自由电子数为

(D)该导体单位体积内的自由电子数为

解析:金属导体中的载流子是自由电子,逆着电流的方向做定向移动.由左手定则可知自由电子所受洛伦兹力方向向上.随着自由电子在上极板的聚集,在上、下极板之间形成一个“下正上负”的电场,从而对自由电子产生向下的电场力.当电场强度增加到使电场力与洛伦兹力平衡时,自由电子不再向上表面移动.

由二力平衡条件可知:

电流的微观表达式为:

解得:,故正确答案为(A)、(p).

二、测量磁感应强度

利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应虽度的仪器一—高斯计.高斯计的探头是一个霍尔元件,里面是一个半导体薄片.依据霍尔效应原理,霍尔电压U可用毫伏计测量,K、I也可用相应的仪器测量,从而方便地算出B值.

例2据报道,我国实施的“双星”计划发射的卫星中放置一种磁强计,用于测定地磁场的磁感应强度等研究项目.磁强计的原理如图3所示,电路中有一段金属导体,它的横截面为边长等于a的正方形,放在沿*正方向的匀强磁场中,导体中通有沿y方向、电流强度为I的电流,已知金属导体单位体积中的自由电子数为n,电子电量为e,金属导体导电过程中,自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动,测出导体上下两侧面间的电势差为U.求:

(1)导体上、下侧面哪个面电势较高?

(2)磁场的磁感应强度的大小.

解析:(1)自由电子受到指向z轴负方向的洛伦兹力,向下侧移动,故上侧面电势高;

(2)自由电子受到静电力与洛伦兹力的作用,两力平衡时,有:

通过导体的电流强度:

解得:.

例3如图4甲所示,厚度为h,宽度为d的导体放在与其垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中.当电流通过导体时,在导体的上表面和下表面间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应.实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和磁感应强度B的关系为,式中的比例系数k称为霍尔系数.如图4乙所示是一个霍尔元件,其大小仅为发光二极管的五分之一.霍尔元件是一个四端元件,其中AC端输入控制电流,BD端输出霍尔电压,可用电压表来检测.

(1)某同学用霍尔元件来测量某地的磁感应强度,准备的仪器还有电源E,滑动变阻器,电流表和电压表.请根据所给的器材,在图5所示的实物图上连线.

(2)为了较准确的测量出该地的磁感应强度,该同学把霍尔元件的BD端通过数据采集器连接到计算机中,用计算机自动读出霍尔电压的大小.因为不知道该处磁场的方向,该同学随意的转动霍尔元件,在计算机中得到图象如图4丙所示.该同学随意转动霍尔元件的目的是______.

(3)已知该霍尔元件的霍尔系数k=2.0×102 Vm/AT,d=1 mm,通过的电流恒为I=2 A,则该地的磁感应强度为B=______.

解析:(1)测量电路如图6所示.

(2)该同学随意转动霍尔元件的目的是使磁感应强度B和电流I垂直,且平行于宽度为d的边.

(3)由,将霍尔电压U=20 mV,k=2.0×102 Vm/AT,d=1 mm,I=2 A代入公式,可得:B=5×10-2 T.

三、测定半导体特性

半导体有空穴型(P型)和电子型(N型)两种,只要测得上下界面间霍尔电压的符号就可以确定载流子的符号,从而判断半导体究竟是P型还是N型.霍尔效应对于半导体材料和高温超导体的性质测量意义重大.

例4导体导电是由于导体中的自由电荷定向移动,这些可以移动的电荷又叫载流子,例如金属导体的载流子是自由电子.现代广泛应用的半导体材料分为两大类:一类是n型半导体,它的载流子为电子;另一类是p型半导体,它的载流子是“空穴”,相当于带正电的粒子,p型半导体导电,相当于带正电的粒子做定向移动.如果把半导体材料制成的长方体放在匀强磁场中,如图7所示,磁场方向与前后侧面垂直.半导体中通有方向水平向右的电流,测得长方体的上、下表面M、V的电势分别为Φm和Φn.则有()

(A)如果是p型半导体,有Φm>Φn

(B)如果是n型半导体,有Φm>Φn

(C)如果是p型半导体,有Φm<Φn

(D)如果是n型半导体,有Φm<Φn

解析:如果是p型半导体,载流子是“空穴”——相当于带正电的粒子,据左手定则可判断出“空穴”向下偏转,从而得出Φm<Φn;如果是n型半导体,载流子为电子,逆着电流的方向定向移动,在磁场中受到洛伦兹力的作用也是向下的,从而有Φm>Φn.正确答案应为(B)、(C).

四、制造霍尔传感器

以霍尔效应原理制造的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器.利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种非电学测量的线性传感器,如位移、压差、角度、振动、转速、加速度等传感器.下面介绍2009年宁夏与北京高考试题中出现的电磁式流速传感器与流量传感器.

例5 (2009年宁夏卷)医生做某些特殊手术时,利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度.电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成,磁极间的磁场是均匀的.使用时,两电极a、b均与血管壁接触,两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直,如图8所示.由于血流中的正负离子随血流一起在磁场中运动,电极a、b之间会有微小电势差.在达到平衡时,血管内部的电场可看作是匀强电场,血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零.在某次监测中,两触点间的距离为3.0 mm,血管壁的厚度可忽略,两触点间的电势差为160μV,磁感应强度的大小为0.040 T.则血流速度的近似值和电极a、b的正负为()

(A) 1.3 m/s,a正、b负

(B) 2.7 m/s,a正、b负

(C) 1.3 m/s,a负、b正

(D) 2.7 m/s,a负、b正

解析:依据左手定则可知正离子在磁场中受到洛伦兹力作用向上偏,负离子在磁场中受到洛伦兹力作用向下偏,因此电极a为正、b为负;当稳定时血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零,根据二力平衡条件:qE=qvB,可得:,(A)正确.

例6 (2009年北京卷)单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量).有一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计.它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成.传感器的结构如图9所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极a和c,a、c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连线方向以及通电线圈产生的磁场方向三者相互垂直.当导电液体流过测量管时,在电极a、c间出现感应电动势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体的流量Q.设磁场均匀恒定,磁感应强度为B.

(1)已知D=0.40 m,B=2.5×10-3T,Q=0.12 m3/s.设液体在测量管内各处流速相同,试求E的大小(π取3.0);

(2)—新建供水站安装了电磁流量计,在向外供水时流量本应显示为正值,但实际显示却为负值,经检查,原因是误将测量管接反了,即液体由测量管出水口流入,从入水口流出.因水已加压充满管道,不便再将测量管拆下重装,请你提出使显示仪表的流量指示变为正值的简便方法;

(3)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为R.a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率的变化而变化,从而会影响显示仪表的示数.试以E、R、r为参量,给出电极a、c间输出电压U的表达式,并说明怎样可以降低液体电阻率变化对显示仪表示数的影响.

解析:(1)导电液体通过测量管时,相当于导线做切割磁感线的运动,在电极a、c间切割磁感线的液柱长度为D,设液体的流速为v,则产生的感应电动势为E=BDv.

由流量的定义有:

联立解得:

代入数据得:E=1.0×10-3V.

(2)为使仪表显示的流量变为正值可改变通电线圈中电流的方向使磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表.

(3)传感器和显示仪表构成闭合电路,由闭合电路欧姆定律:.

所以

输入显示仪表是a、c间的电压U,流量示数和U一一对应,E与液体电阻率无关,而r随电阻率的变化而变化,由上式可看出,r变化相应的U也随之变化.在实际流量不变的情况下,仪表显示的流量示数会随a、c间的电压U的变化而变化,增大R,使R>>r,则U≈E,这样就可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响.

五、磁流体发电

流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础,其基本原理就是在横向磁场作用下使通过磁场的等离子体一正、负带电粒子分离后积聚于两个极板形成电源电动势.这种新型的高效发电方式,通过燃料燃烧释放的热能使气体变成等离子体流而转换成电能,无需像火力发电一样,先将燃料燃烧释放的热能转换成机械能以推动发电机轮转动,再把机械能转换成电能,这样在提高了热能利用效率的同时,也满足了环保的要求.

例7 (2004天津卷)磁流体发电是一种新型发电方式,图10和图11是其工作原理示意图.图10中的长方体是发电导管,其中空部分的长、高、宽分别为l、a、b,前后两个侧面是绝缘体,上、下两个侧面是电阻可略的导体电极,这两个电极与负载电阻RL相连.整个发电导管处于图11中磁场线圈产生的匀强磁场里,磁感应强度为B,方向如图所示.发电导管内有电阻率为ρ的高温、高速电离气体沿导管向右流动,并通过专用管道导出.由于运动的电离气体受到磁场作用,产生了电动势.发电导管内电离气体流速随磁场有无而不同.设发电导管内电离气体流速处处相同,且不存在磁场时电离气体流速为v0,电离气体所受摩擦阻力总与流速成正比,发电导管两端的电离气体压强差Δp维持恒定,求:

(1)不存在磁场时电离气体所受的摩擦阻力F多大;

(2)磁流体发电机的电动势E的大小;

(3)磁流体发电机发电导管的输入功率P.

解析:(1)不存在磁场时,由力的平衡得:

(2)设磁场存在时的气体流速为v,则磁流体发电机的电动势F=Bav;

回路中的电流:

电流I受到的安培力:

设F′为存在磁场时的摩擦阻力,依题意:

存在磁场时,由力的平衡得:

根据上述各式,解得:

(3)磁流体发电机发电导管的输入功率: