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霍爾效應(yīng)
科技名詞定義
中文名稱：
霍爾效應(yīng)
英文名稱：
Hall effect
定義1：
在物質(zhì)中任何一點產(chǎn)生的感應(yīng)電場強度與電流密度和磁感應(yīng)強度之矢量積成正比的現(xiàn)象。
應(yīng)用學(xué)科：
電力（一級學(xué)科）；通論（二級學(xué)科）
定義2：
通過電流的半導(dǎo)體在垂直電流方向的磁場作用下，在與電流和磁場垂直的方向上形成電荷積累和出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。
應(yīng)用學(xué)科：
機械工程（一級學(xué)科）；工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)（二級學(xué)科）；機械量測量儀表-機械量測量儀表一般名詞（三級學(xué)科）
以上內(nèi)容由全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定公布
霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。
發(fā)現(xiàn)
霍爾效應(yīng)在1879年被E.H. 霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，這種效應(yīng)和傳統(tǒng)的感應(yīng)效果*不同。當(dāng)電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體的時候，磁場會對導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。雖然這個效應(yīng)多年前就已經(jīng)被大家知道并理解，但基于霍爾效應(yīng)的傳感器在材料工藝獲得重大進展前并不實用，直到出現(xiàn)了高強度的恒定磁體和工作于小電壓輸出的信號調(diào)節(jié)電路。根據(jù)設(shè)計和配置的不同，霍爾效應(yīng)傳感器可以作為開/關(guān)傳感器或者線性傳感器。
霍爾效應(yīng)（圖中電場方向應(yīng)向上）
解釋
在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導(dǎo)體中的電子與電洞受到不同方向的洛倫茲力而往不同方向上聚集，在聚集起來的電子與電洞之間會產(chǎn)生電場，此一電場將會使后來的電子電洞受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得后來的電子電洞能順利通過
霍爾效應(yīng)
不會偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。
方便起見，假設(shè)導(dǎo)體為一個長方體，長度分別為a,b,d，磁場垂直ab平面。電流經(jīng)過ad，電流I = nqv（ad），n為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為VH，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場為VH / a。設(shè)磁場強度為B。
洛倫茲力
f=qE+qvB/c（Gauss 單位制）
電荷在橫向受力為零時不在發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場作用下在器件的兩個側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號電荷堆積從而形成橫向霍爾電場
E= - vB/c
由實驗可測出 E= UH/W 定義霍爾電阻為
RH= UH/I =EW/jW= E/j
j = q n v
RH=-vB/c /（qn v）=- B/（qnc）
UH=RH I= -B I /（q n c）
相關(guān)反應(yīng)
量子霍爾效應(yīng)
熱霍爾效應(yīng)：垂直磁場的導(dǎo)體會有溫度差。
Corbino效應(yīng)：垂直磁場的薄圓碟會產(chǎn)生一個圓周方向的電流。
自旋霍爾效應(yīng)
本質(zhì)
固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，zui終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。
應(yīng)用
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對位于磁場（B）中的導(dǎo)體（d）施加一個電壓（Iv），該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓（UH），人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路， 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動. 當(dāng)有磁場時， 大家可能會被推到靠路的右邊行走. 故路 （導(dǎo)體） 的兩側(cè), 就會產(chǎn)生電壓差. 這個就叫“霍爾效應(yīng)”。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。
訖今為止，已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān)，等等。 物理量
例如汽車點火系統(tǒng)，設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，還能地控制點火正時，能夠較大幅度提高發(fā)動機的性能，具有明顯的優(yōu)勢。
用作汽車開關(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，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機和雨刮器電機在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機械式開關(guān)觸點產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。
霍爾器件通過檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯捎糜诒O(jiān)視和測量汽車各部件運行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進行二次變換；可測量壓力、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，可實現(xiàn)自動檢測。目前的霍爾器件都可承受一定的振動，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，完夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。
發(fā)展
美國物理學(xué)家霍爾（Hall,Edwin Herbert,1855-1938）于1879年在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。
在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學(xué)家克利青（Klaus von Klitzing, 1943-）等在研究極低溫度和強磁場中的半導(dǎo)體時發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)，這是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)令人驚異的進展之一，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎。 之后，美籍華裔物理學(xué)家崔琦和美國物理學(xué)家勞克林（Robert B.Laughlin，1950-）、施特默（Horst L. St rmer，1949-）在更強磁場下研究量子霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這個發(fā)現(xiàn)使人們對量子現(xiàn)象的認識更進一步，他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎。 （Daniel Chee Tsui,1939- ）
zui近，復(fù)旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究。“量子自旋霍爾效應(yīng)”zui先由張首晟教授預(yù)言，之后被實驗證實。這一成果是美國《科學(xué)》雜志評出的2007年科學(xué)進展之一。如果這一效應(yīng)在室溫下工作，它可能導(dǎo)致新的低功率的“自旋電子學(xué)”計算設(shè)備的產(chǎn)生。 目前工業(yè)上應(yīng)用的高精度的電壓和電流型傳感器有很多就是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，誤差精度能達到0.1%以下
正是基于以上原理的良好應(yīng)用。對于測量瓶壁厚度有良好的效果。
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2025第13屆武漢國際科學(xué)儀器與實驗室裝備展覽會
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