霍耳效應

科技名詞定義

中文名稱：霍爾效應

實驗裝置

英文名稱：Halleffect
定義1：在物質中任何一點產生的感應電場強度與電流密度和磁感應強度之矢量積成正比的現象。所屬學科：電力（一級學科）；通論（二級學科）
定義2：通過電流的半導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電勢差的現象。所屬學科：機械工程（一級學科）；工業自動化儀表與系統（二級學科）；機械量測量儀表-機械量測量儀表一般名詞（三級學科）　

百科名片

霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）於1879年在研究金屬的導電機構時發現的。當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。

霍爾試驗

發現

霍爾效應在1879年被E.H.霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關係，這種效應和傳統的感應效果完全不同。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差。雖然這個效應多年前就已經被大家知道並理解，但基於霍爾效應的感測器在材料工藝獲得重大進展前並不實用，直到出現了高強度的恆定磁體和工作於小電壓輸出的信號調節電路。根據設計和配置的不同，霍爾效應感測器可以作為開/關感測器或者線性感測器。　

解釋

在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導線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生電場，此一電場將會使後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，使得後來的電子電洞能順利通過。

霍爾試驗

不會偏移，此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。方便起見，假設導體為一個長方體，長度分別為a,b,d，磁場垂直ab平面。電流經過ad，電流I=nqv(ad)，n為電荷密度。設霍爾電壓為VH，導體沿霍爾電壓方向的電場為VH/a。設磁場強度為B。

相關反應

熱霍爾效應：垂直磁場的導體會有溫度差。
Corbino效應：垂直磁場的薄圓碟會產生一個圓周方向的電流。
自鏇霍爾效應

本質

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生偏移，並在材料兩側產生電荷積累，形成垂直於電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩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係數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。

套用

霍爾效應在套用技術中特別重要。霍爾發現，如果對位於磁場(B)中的導體(d)施加一個電壓(Iv)，該磁場的方向垂直於所施加電壓的方向，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生另一個電壓(UH)，人們將這個電壓叫做霍爾電壓，產生這種現象被稱為霍爾效應。好比一條路,本來大家是均勻的分布在路面上,往前移動.當有磁場時,大家可能會被推到靠路的右邊行走.故路(導體)的兩側,就會產生電壓差.這個就叫“霍爾效應”。根據霍爾效應做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉變為數字電壓的形式輸出，使之具備感測和開關的功能。訖今為止，已在現代汽車上廣泛套用的霍爾器件有：在分電器上作信號感測器、ABS系統中的速度感測器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態診斷、發動機轉速及曲軸角度感測器、各種開關，等等。例如汽車點火系統，設計者將霍爾感測器放在分電器內取代機械斷電器，用作點火脈衝發生器。這種霍爾式點火脈衝發生器隨著轉速變化的磁場在帶電的半導體層內產生脈衝電壓，控制電控單元（ECU）的初級電流。相對於機械斷電器而言，霍爾式點火脈衝發生器無磨損免維護，能夠適應惡劣的工作環境，還能精確地控制點火正時，能夠較大幅度提高發動機的性能，具有明顯的優勢。用作汽車開關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、空調電機和雨刮器電機在開關時會產生浪涌電流，使機械式開關觸點產生電弧，產生較大的電磁干擾信號。採用功率霍爾開關電路可以減小這些現象。霍爾器件通過檢測磁場變化，轉變為電信號輸出，可用於監視和測量汽車各部件運行參數的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉速等等，並可將這些變數進行二次變換；可測量壓力、質量、液位、流速、流量等。霍爾器件輸出量直接與電控單元接口，可實現自動檢測。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攝氏度範圍內工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應汽車的惡劣工作環境。

發展

美國物理學家霍爾(Hall,EdwinHerbert,1855-1938)於1879年在實驗中發現，當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。在霍爾效應發現約100年後，德國物理學家克利青(KlausvonKlitzing,1943-)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍耳效應，這是當代凝聚態物理學令人驚異的進展之一，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。之後，美籍華裔物理學家崔琦(DanielCheeTsui,1939-)和美國物理學家勞克林(RobertB.Laughlin，1950-)、施特默(HorstL.Strmer，1949-)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應，這個發現使人們對量子現象的認識更進一步，他們為此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。最近，復旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自鏇霍爾效應”的研究。“量子自鏇霍爾效應”最先由張首晟教授預言，之後被實驗證實。這一成果是美國《科學》雜誌評出的2007年十大科學進展之一。如果這一效應在室溫下工作，它可能導致新的低功率的“自鏇電子學”計算設備的產生。目前工業上套用的高精度的電壓和電流型感測器有很多就是根據霍爾效應製成的,誤差精度能達到0.1%以下。