霍尔效应与霍尔器件.pdf

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1、2010年l1月Vo1．28No．21中学物理·物理与科技·霍尔效应与霍尔器件闫迎利(安阳师范学院物理与电气工程学院河南安阳455002)1897年，霍尔(E·H·Ha11)发现了霍尔效应．当今，根据的电势差U称为霍尔电压．霍尔效应的原理制作的元器件已广泛应用于测量、自动控制霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释．实等技术中．又因德国物理学家克利青(K·V·Klitzing)因发验表明，霍尔电压己，与电流J、磁感应强度B都成正比，与板现量子霍尔效应而荣获1985年度诺贝尔物理学奖；美籍华的厚度d成反比．其公式为：裔物理学家崔琦、美籍德裔物理学家施

2、特默(H·L·Stormer)U：K．—1B了，和美国物理学家劳克林(R·B·Laughlin)因发现分数量子霍尔效应而荣获1998年度诺贝尔物理学奖，霍尔效应引起了式中，K为比例常数，称为霍尔系数，它由导体(或半导广大民众的兴趣．霍尔效应已经成为学生了解的物理效应．本文将介绍经典霍尔效应、量子霍尔效应、分数量子霍尔效体)材料的性质所决定．应，介绍霍尔器件的应用与检测方法．1．2量子霍尔效应1霍尔效应1980年德国物理学家冯·克利青在研究处于极低温度1．1经典霍尔效应1．5K和强磁场l8T的作用下，硅的金属一氧化物一半导体1897年，霍尔(E·H·Ha

3、l1)在导师罗兰(H·A·Rowland)场效应晶体管(MOSFET)，在二维体系的霍尔效应实验中，教授的支持下，做实验来验证磁场对导线中的电流有没有影发现了一个与经典霍尔效应完全不同的现象：霍尔电阻R响的问题．发现：如图1所示，将载流导体板放在磁场中，使随磁场的变化出现了一系列量子化电阻平台．这些平台电阻磁场方向垂直于电流方向，在导体板两侧之间就会出现R的值可以用下式来统一描述：横向电势差u．这种现象称之为霍尔效应，导体板两侧形成R：，，z式中：h为普朗克常数；e为电子电荷；为正整数，即=1、2、3、⋯⋯．图2是采用硅金属氧化物场效应管(MOSFWr

4、)测出的，横坐标为磁感应强度B，其单位为T，而纵坐标分别为霍尔电1霍尔效应原瑚阻R和纵向电阻尺，其单位为Q．这项发现被称为整数量子霍尔效应．由于此项发现，冯·L．石＼_、#石I、嵫矗石曲、：曲对木箱应用动能定理有一mg(L+z)：0一1对卡车和木箱组成的质点系运用质点系动能定理，则有，△Ek=W内+W外，对卡车应用动能定理有，[1mg一2(，7"+M)gJL=0一寺】My，，即一tqmgl—2(M+7n)gL=0一号(M+m)，再对木箱应用动能定理有解得L=，rag(L+z)：0一1优z一，’．7J．，，。可解得L，生5板演(解法2)：用质点系(系统)

5、动能定理求解2．视卡车与木箱为一系统，系统受外力有：卡车重力Mg、‘木箱重力mg、地面对卡车的支持力N和地面对卡车的摩擦师：两位同学分别用质点动能定理和质点系动能定理求；Of．内力有卡车对木箱的摩擦力和木箱对卡车的摩擦力解了该题，他们都能正确地分析研究对象的受力情况和做功．其eet,b力摩擦力，做功，情况、合理地应用动能定理，思路清晰，答题规范，很好．这说w=一z(M+m)，明同学们对动能定理有了较为深刻的理解．这里提醒同学们内力做功之和等于摩擦力与相对路程的乘积，即注意，对系统应用动能定理除了要考虑系统外力做功，还要w内=一mg1．考虑系统内力做功的

6、情况．·64·克利青等荣获了1985年的诺于工业生产自动控制系统中．贝尔物理学奖．目前对R的测a2．5霍尔传感器在工业生产导磁产品计数中的应用量精确度已达10以上．量子《对于批量导磁产品的计数，当传送带上的导磁产品经过霍尔效应具有如此高的精确度磁钢的极间时，磁钢端面上的霍尔元件便输出一个信号，经和复现性，产生了一种新的电放大整形和数字显示，可实现自动计数．阻国际标准．霍尔元盼[图3导磁产计数原理霍尔元件检测信号经过放大整形一计数器一控制器最后显示结果．2．6现代汽车上的霍尔器件已在现代汽车上霍尔器件有：速度传感器、速度表和里程表、液体物理量检测器、各种

7、用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等等．2．7霍尔传感器在家庭中的应用对于自行车，霍尔传感器固定在自行车前又上，磁钢与霍尔传感器的接近距离为4rnrn～10rnIn，安装正确后，通过测量霍尔器件到转轴的半径，由霍尔传感器制作自行车里程表可以测算出自行车行进的速度与运行的路程．霍尔传感器还可以应用到其他家用电器中，改进其功能．3霍尔器件的检测方法3．1霍尔元件的万用表检测方法霍尔元件为四脚元件．国产霍尔元件主要有HZ、HT、HS系列，如图4．2二二jL电源正端2．输出端3．电源负端4．输出端立式霍尔元件卧式霍尔元件图4

8、对HZ系列产品应选择万用表R×10档；对HT、HS系列产品一般选择万用表R×1档．测量结果应与