霍尔效应的发现及其意义

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1、霍尔效应的发现及其意义　　摘要：回顾了霍尔发现霍尔效应的主要历程，并通过分析发现了霍尔在科学研究中的好学但不盲从、大胆设想但又联系实际、锲而不舍但思路又开阔等创新意识和研究作风。简要叙述了反常霍尔效应的发现及对其理论机制是内禀机制还是外在机制的历史研究和争论，揭示了发现霍尔效应的重要意义。　　关键词：霍尔霍尔效应反常霍尔效应　　中图分类号：O442文献标识码：A文章编号：1674-098X（2017）01（b）-0085-03　　霍尔效应作为一种磁电效应，它是1879年由美国物理学家霍尔发现并以此命名的，在

2、其后的2年内又事实上发现了反常霍尔效应。由于半导体材料的霍尔效应比较明显，因此现在有各种各样的用半导体材料制成的霍尔元器件，使得霍尔效应的应用非常广泛。在近代，由于新型半导体材料（如超宽禁带半导体）和低维物理的发展（如石墨烯技术）、新的极端物理条件（如超低温度和超强磁场等的应用），使得凝聚态体系（特别是低维凝聚态体系）中的磁现象研究取得了许多突破性的进展。例如德国物理学家冯?克利青在研究硅场效应管霍尔电阻时发现了量子霍尔效应；美籍华裔物理学家崔琦等在研究二维电子系统时发现了分数量子霍尔效应；2013年3月1

3、4日，美国《科学》杂志在线发表了关于首次观测到量子反常霍尔效应的成果，这是由我国清华大学薛其坤院士领衔组成的中外科学家团队，在中国实验室做出的一项重要科学发现[1]，这次发现意义十分重要，使超低能耗的高速电子器件的大规模使用成为可能，杨振宁教授认为，这是“诺贝尔奖级的成果”。霍尔效应及反常霍尔效应后续的理论与应用研究仍是今后的重点和热点，该文拟重点回顾发现霍尔效应的历程，旨在从中发现霍尔能够成功的原因，并简要回顾反常霍尔效应理论机制的研究历程，以便更好地理解发现霍尔效应的重要意义。　　1霍尔效应的发现　　1

4、875年霍尔毕业于美国鲍登学院，从事教学2年后，去了霍普斯金大学研究生院，随罗兰教授学习物理学，在阅读麦克斯韦《电和磁》一书时，对麦克斯韦“在磁场中的通电导体受到的机械力不是作用于电流上的，而是作用在导体上的”观点提出了质疑。他的理由有3点：一是只有通电的导体才有作用力，而不通电的导体是没有的；二是作用力的大小与电流大小成正比，作用力的方向与电流流向有关系；三是作用力的大小与导体的尺寸和材料无关。他感到“磁场对通电导体的机械力是作用在电流上的”。于是他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

5、的真实性，以前也为此仓促地做了一下??验，但没有成功。　　1879年10月，在罗兰教授鼓励下，霍尔开始了他的探索和实验。一开始，霍尔认为导体中的电流在受到作用力后，会偏向导体的一侧，导体的电阻会有所增加，根据这一想法，霍尔用惠斯通电桥测量银丝电阻变化的实验，尽管电磁铁产生的磁场比地磁场强近2000倍，银丝电阻增加量也只有百万分之一，这个变化太小了，霍尔认为如果是电流偏向导体一侧的话，变化不会这么小，但电阻又毕竟有所增加，难道前面的假设不成立吗？霍尔感到很困惑。忽然有一天，霍尔想到可能是电磁铁通电后散发的热量

6、使银丝温度升高造成的，在排除各种热效应干扰后，霍尔反复做了几十次实验，实验结果银丝电阻值的变化只有五百万分之一，否定了前面的假设。然而失败并没有使霍尔放弃研究，经过认真思考，改革思路，由于当时金属经典电子理论还没有建立，他把导体里的电流类比管子里的水流，水流虽然受到某些东西的侧向作用力，虽有侧向运动趋势并没有侧向移动，但会对管壁有压力，若在管子直径方向开上小孔、装上细管，连通小孔的细管里也会有水流。同样电流在磁场作用下，有侧向运动趋势，但并没有真正运动，若在导体两侧对应点上连接细导线，在侧向电压作用下，细导

7、线里会有电流。于是霍尔在这样的思路下设计了实验装置，他用安装在玻璃板上的金箔窄条作导体，磁铁的磁场垂直于金箔面，金箔窄条两侧对应点接上检流计，检流计放得较远，避免磁场对检流计的影响，如图1所示。　　霍尔在1879年11月进行了操作，表1是在他毕业论文中观察记录了流过检流计的电流随流过金箔中电流和磁场的改变而改变的数据。　　从表1中看到，虽然流过检流计的电流很微弱，由于霍尔自己制作的检流计十分灵敏，测量到的电流还是有3位有效数字，实验成功地证实了霍尔的想法，而且非常可贵的是，霍尔从前3项看似毫无规律的数据中敏

8、锐地发现了更为有意义的规律，这就是最后一项，这一项的数值几乎是一个常数，其最小值与最大值相差仅8%左右，我们知道，若把流过检流计的电流Ig与检流计的电阻Rg相乘，就是金箔条两侧对应点a，b的电压，由此可得到“导体两侧对应点之间的电压与通过导体的电流和磁感应强度的乘积成正比”的结论，这就是我们所说的“霍尔效应”，霍尔把这一发现作为自己毕业论文的研究成果，1880年霍尔获得了博士学位。　　2霍尔成功的启示　　上面简述