霍尔效应
霍尔效应简介
霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。
[1]当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。
霍尔效应使用左手定则判断。
中文名霍尔效应外文名Hall effect表达式Vh=BI/(nqd)提出者霍尔提出时间1879应用学科电磁学适用领域范围电磁学衍生效应量子霍尔效应，量子反常霍尔效应目录1. 1 发现2. 2 解释3. 3 本质1. 4 应用2. 5 发展3. 6 相关效应1.7 研究前景发现霍尔效应 [2]在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。
当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。
虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。
根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。
解释在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。
而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a、b、d，磁场垂直ab平面。
电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。
设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。
霍尔效应机理
霍尔效应机理霍尔效应（Hall effect）是指在导体中通过电流时，垂直于电流方向和磁场方向的方向上会产生一种电压差的现象。
这一现象是由美国物理学家爱德华·霍尔（Edwin Hall）于1879年发现的，对电子学和磁学的研究起到了重要的推动作用。
霍尔效应的机理和应用广泛存在于电子器件、传感器和材料研究等领域。
霍尔效应的机理如下：当一个导体中通过电流时，由于洛伦兹力的作用，电子会在垂直于电流方向和磁场方向的方向上受到一个力，导致电子在这个方向上聚集。
这样就会形成一个电势差，即霍尔电压（Hall voltage），垂直于电流和磁场方向。
霍尔电压的大小与电流强度、磁场强度以及材料的特性相关。
霍尔效应在实际中有许多应用，包括：1. 霍尔传感器：霍尔传感器利用霍尔效应测量磁场强度。
它们广泛应用于磁场检测、位置检测、电流测量等领域。
例如，在汽车中用于测量转速、车速和方向盘位置。
2. 磁场测量：由于霍尔效应对磁场强度的敏感性，它可以用于测量磁场的大小和方向。
这在磁学实验、地磁测量和材料磁性研究中非常有用。
3. 材料性质研究：通过测量霍尔电压，可以获得材料的载流子类型、浓度和迁移率等信息，从而对材料的电导性和电子结构进行研究。
4. 磁性存储器：在硬盘驱动器等磁性存储设备中，霍尔传感器被用于读取磁头位置和方向，从而实现数据的定位和读取。
5. 磁流变液技术：磁流变液是一种特殊的流体，其粘度可以通过外加磁场的调节而改变。
霍尔效应可以用于测量磁流变液的粘度变化，从而控制和调节液体的流动性能。
综上所述，霍尔效应在电子学、传感器技术、材料研究和磁学等领域具有重要的应用价值。
通过利用霍尔效应的特性，可以实现对磁场强度、位置、磁性材料性质和流体流动性能的测量和控制。
霍尔效应
霍尔效应：是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。
当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。
这个电势差也被称为霍尔电势差。
霍尔效应传感器：霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。
霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。
霍尔效应传感器的特点：1、霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。
副边电流忠实地反应原边电流的波形。
而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。
2、原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。
3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。
而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
4、线性度好：优于0.1%5、动态性能好：响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs6、霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。
与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。
7、工作频带宽：在0-100kHz频率范围内精度为1%。
在0－5kHz频率范围内精度为0.5%。
8、测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。
9、过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。
10、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。
11、模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μs的高压变化时，模块有自身屏蔽作用X光机维修。
霍尔效应
霍尔效应1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时看，发现了一种电磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。
这个效应后来被称为霍尔效应。
产生的电压(U H)，叫做霍尔电压。
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，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。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。
而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。
采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。
实验目的1. 了解霍尔效应实验原理2. 测量霍尔电流与霍尔电压之间和励磁电流与霍尔电压之间的关系3. 学会用霍尔元件测量磁场分布的基本方法4. 学会用“对称测量法”消除负效应的影响实验原理1. 霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
当电流I沿X轴方向垂直于外磁场B(沿Z方向)通过导体时，在Y方向，即导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差V H，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电压。
实验表明，在磁场不太强时，霍尔电压V H 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即IB K dIBR V H HH ==(1)。
其中RH 称为霍尔系数，KH 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mA.T)。
霍尔效应简介
霍尔效应简介
霍尔效应是指当电流通过垂直于电流方向的导体时，会在导体两侧
形成电势差。
这个现象是由瑞典物理学家爱德华·霍尔于1879年发现的。
霍尔效应的原理是：当电流通过导体时，自由电子也会随之移动。
如果在电流流动方向的垂直方向上施加一个磁场，磁场力会使电子在
该方向上受到一个向外的力。
这个力会使得电子在垂直方向上聚集，
导致导体两侧分别形成正负电荷的区域，从而形成电势差。
根据霍尔效应，可以制造霍尔传感器。
霍尔传感器能够测量磁场的
大小和方向，因此在许多应用中被广泛使用，例如磁力计、速度传感器、转速计等。
此外，霍尔效应还有一些其他应用，包括测量电流、
磁强计、电子元件的开关等。
总的来说，霍尔效应是一种电磁现象，利用电流通过导体时产生的
电势差可以实现磁场测量和其他应用。
霍尔效应解释
霍尔效应解释
霍尔效应是指在某些材料的导电过程中，当通过导体的电流与磁场垂直时，会在导体两侧产生电压差现象。
这种现象被称作霍尔效应，它是一种基于洛伦兹力和电子自旋的现象。
霍尔效应的解释可以从两个方面来理解。
首先，从经典电动力学的角度来看，当电流流过导体时，导体内部的电荷将受到磁场的作用而向一侧偏移。
这种偏移会导致在导体两侧产生电势差，也就是霍尔电势。
其次，从量子力学的角度来看，霍尔效应可以理解为电子自旋所导致的磁矩在磁场中受到作用力，从而沿着磁场方向分裂成两个能级。
当电流通过导体时，这两个能级的电子数量会发生变化，从而导致在导体两侧产生电势差。
总之，霍尔效应是一种基于磁场和电流交互作用的现象，它在磁学、半导体和电子学等领域都有广泛的应用。
- 1 -。
霍尔效应(Hall Effect)
8
外加一磁场沿正y轴
在动并A1受，正A2Z间方加向一磁电场位作差用使力电F洞B 以q漂v流速B 度沿正x方向运
因材料原呈电中性，故有相等之负电荷累积在材料下 方并产生负Z方向静电力Fe＝qE
稳定态时，FB=FE 即 qvB＝qE
E=vB
此时上下两侧之电压差即为霍尔电压
归零
使用按钮上方英文字
所提示功能时，须先 按住SHIFT键才可使 用。
选取单位
数值撷取
范围设定
11
实验仪器
探针置入位置
测
厚 压 克 力 垫
磁 场 测 试 板
探 针
试 板 放 置 处
片
待
磁
测
铁
半
架
导
体
材料12如 Nhomakorabea量测磁场
先将高斯计执行 归零程序。
依操作说明找出磁 鐵N、S极。
量测示意图
将实验器材架设好，
14
9
计算
J nev I I A ab
v B E VH b
n IB aeVH
n : 載子濃度 e : 電荷電量 v: 漂移速度 J : 電流密度 B : 外加磁場 VH : 霍爾電壓 a : 樣品厚度(y方向) b : 樣品高度(z方向) A : 電流通過之樣品截面積
10
实验仪器-----高斯计(量测磁场使用 )
多数载子为电洞，少数载子为电子。
三价杂质通常为硼(B) 、鋁(Al)、鎵(Ga)、 銦(In)。
6
N型半导体
在纯硅中加入五价元素杂質，使每个硅原子与五价 杂质结合成共价键时多一电子，即为N型半导体。
多数载子为电子，少数载子为电洞。 五价杂质通常为磷(P)、
名词解释霍尔效应
名词解释霍尔效应
霍尔效应(霍尔效应)是一种量子效应,涉及到电子在磁场中的运动。
当电子在磁场中受到一个电场的作用时,它们会受到洛伦兹力,从而改变它们的运动状态。
这种改变可以导致电子的霍尔系数(霍尔系数)发生变化,从而指示电子在磁场中的运动方向和速度。
霍尔效应最初被发现是在20世纪50年代。
当时,研究人员发现,如果将一个霍尔传感器放置在一个磁场中,它可以通过检测电子的霍尔系数来测量磁场强度。
这种技术被广泛应用于各种电子设备中,例如磁共振成像设备、硬盘驱动器和传感器等。
霍尔效应的应用范围非常广泛,但它也有一些限制。
例如,在强磁场中,霍尔传感器可能会受到损坏。
此外,霍尔系数也受到温度和湿度等因素的影响,因此需要对它们进行校准。
除了用于测量磁场外,霍尔效应还可以用于控制电流。
例如,可以使用霍尔传感器来检测电流的方向,从而控制电路中的电流。
霍尔效应技术还被应用于许多其他领域,例如量子计算、量子存储和量子通信等。
霍尔效应是一个非常重要的量子效应,它的应用将推动计算机科学和技术的发展。
随着技术的不断发展,霍尔效应的应用前景将越来越广阔。
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霍尔效应摘要:霍尔效应是霍尔--德国物理学家于1879年在他的导师罗兰的指导下发现的这一效应，这一效应在科学实验和工程技术中得到广泛应用。
可以用它测量磁场、半导体中载流子的浓度及判别载流子的极性，还可以利用这一原理作成各种霍尔器件，已广泛地应用到各个领域中。
近年来霍尔效应得到了重要发展，冯·克利青发现了量子霍尔效应，为此，冯·克利青获得1985年度诺贝尔物理学奖。
关键词: 霍尔效应副效应霍尔电压直流电压高精度的隔离传送和检测直流电流高精度的隔离检测监控量越限时准确的隔离报警引言:利用霍尔效应电压与磁场的线性关系可知，通过测量元件两端的电压，可以得知空间某区域的磁场分布及其此处的磁感应强度。
如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且随着电子技术的发展，利用该效应制成的霍尔器件，由于结构简单、频率响应宽、寿命长、可靠性高等优点，已广泛用于非电量测量和信息处理等方面。
正文：通过自己多次到实验室去体验并做了这些试验，本试验共有4个实验--霍尔效应、直流电压高精度的隔离传送和检测、直流电流高精度的隔离检测和监控量越限时准确的隔离报警。
现在把实验内容及其结论在下面做详细介绍：一、霍尔效应试验实验目的：认识霍尔效应并懂得其机理；研究霍尔电压与工作电流的关系；研究霍尔电压与磁场的关系；了解霍尔效应的副效应及消除方法。
实验原理：霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转元件，如图所示图1.1 霍尔效应磁原理 图1.2 霍尔效应磁电转换 在磁场不太强时，电位差H V 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即d IBR V HH =(1.1)或 IB K V H H =(1.2)式（1.1）中H R 称为霍尔系数，式（1.2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv /(mA ·T)。
如图1.1所示，一快长为l 、宽为b 、厚为d 的N 型单晶薄片，置于沿Z 轴方向的磁场B中，在X 轴方向通以电流I ，则其中的载流子—电子所受到的洛仑兹力为j eVB B V e B V q F m -=⨯-=⨯=(1.3)。
即b V e eVB H=得 VBb V H =(1.5)此时B 端电位高于A 端电位。
若N 型单晶中的电子浓度为n ，则流过样片横截面的电流I =nebdV (1.6) 得nebd IV =(1.7)将(1.6)式代入(1.5)式得IB K d IB R IB ned V H H H ===1 (1.8)式中ne R H 1=称为霍尔系数，nedK H 1=称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，H K 愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压H V 。
由（1.8）式可知，如果霍尔元件的灵敏度H R 已知，测得了控制电流I 和产生的霍尔电压H V ，则可测定霍尔元件所在处的磁感应强度为HHIK V B =。
霍尔效应实验电路如图所示。
实验内容及数据处理:已知参数b=4.0mm, d=0.5mm, C B l '==3.0mm.设M KI B =，其中K=6200GS/A ；研究霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系的数据及处理：有基本原理可得：U H-1=(|U 1|+|U 2|+|U 3|+|U 4|)/4=2.10mAB 1=B 0/A* I M =3600*0.300=1080Gs 同理可求其它的值并将结果填在表中。
按作图法要求作出霍尔电压与工作电流霍尔电压与磁场的关系曲线：UH和IH关系图5102468IH(mA)U H (m V )UH实验分析及结论:本实验采用数字仪表控制,所以相当精确；不过还是存在不等势效应、埃廷斯豪森效应和能斯特效应等副反应影响实验结果。
但是该实验总的来说还是验证了霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流之间成线性的关系这一结论。
思考题:若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,对测量结果会有何影响？如何用实验的方法判断B 与法线方向是否一致？答：若磁场不恰好与霍尔元件的法线一致,则霍尔片通过电流时,载流子的偏转就会偏离法线方向,而使测的电位差不是真的霍尔电位差,从而造成测量的系统误差。
朝两个方向偏转霍尔元件的方向，如电位差都减小，说明B 与法线方向一致。
二、直流电压高精度的隔离传送和检测实验实验目的：研究直流电压高精度的隔离传送和检测的方法；测量霍尔电压传感器隔离传送和检测直流电压的传感精度和线性度。
实验原理：直流电压高精度隔离传送和检测实验电路如图所示。
当被传电压U IN 通过R 的电流I IN 在初级线圈N 1产生的磁通量与霍尔电压经放大N 2UH和B关系图24680.0360.0720.1080.144B(T)U H (m V )UH而形成的次级电流I 0通过次级线圈N 2所产生的磁通量平衡时，有I IN *N 1= I 0* N 2，因此刺激电流I 0将精确的反映出触及电流I IN ，I 0在W 2上的电压降U 0将精确反映出初级电压的电压值I IN 。
实验内容及数据处理: 霍尔电压传感器隔离传送直流电压的精度线性度测试直流电压精度的隔离检测图0.511.520.20.50.8 1.1 1.4 1.8Ui(V)U o (V )Um实验分析及结论: 从实验所得的表和图可见, 传感器由于应用了霍尔 电压闭环原理, 所以传感精度很高、线性度很好！思考题:在霍尔电压传感中怎样消除失调电压？答：合电源开关，先调‘电压调整’使U IN ≦5.000V,再调W 2使（调比例电位器）使U 0= U IN ，试运行5 min 后断开‘0线’，调W 1（调零电位器）使U 0为2.000V 。
三、直流电流高精度的隔离检测实验实验目的：研究直流电流高精度的隔离检测的方法；测量出霍尔电流传感器隔离检测直流电流的精度和线性度。
实验原理：直流电流高精度的隔离检测实验电路如图所示。
所以由实验所得数据可得霍尔电流传感器的端点线性度图直流电流精度的隔离检测图00.511.520.50.91.41.8Ii(A)U i (V )Ux由表可知△Umax=0.002V ，即△I max=0.002A ，+S=0，-S=0.23%。
实验分析及结论: 从实验所得的表和图可见, 传感器由于应用了霍尔 电压闭环原理, 所以传感精度很高、线性度很好！思考题:怎样判断霍尔电流传感器隔离传送直流电流的精度？N 1N 2答：根据实验数据画出U-I图后，如果这些点均匀的分布在一条直线的两侧，则说明感精度很高、线性度很好。
四、监控量越限时准确的隔离报警实验实验目的：懂得基于霍尔效应的磁比例原理；研究监控量越限时隔离报警的方法；测量霍尔开关量传感器在监视控量（电压或电流）越限时隔离报警的准确性。
实验原理：监控量（电流）越限时隔离报警实验电路如图所示。
根据霍尔效应原理霍尔元件输出的电压U H与被检测的电流I IN成正比，当U H大于越限设置电压时，“A”即输出高电平（开关量）将报警信号灯点亮。
由于直流电实验内容及数据处理:霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性测量数据由实验数据显然有△Imax=0.002A实验分析及结论:由上表可见传感器由于应用了霍尔电压闭环原理，所以霍尔开关量传感器在直流电流越限时隔离报警准确性非常高！思考题:霍尔开关量传感器除了对直流电流越限时能准确的隔离报警外，还能对那些监控量越限时能准确报警？答：还适用于直流稳压电源及其设备在电流流过时准确的隔离报警。
总结：1）本实验所采用的直流电压隔离传送、直流电流隔离检测、直流电流越限隔离报警的实用方法是正确的。
2）磁平衡原理和磁比例式原理是研制霍尔效应传感器的实用知识。
3）以上这3 个实验正是霍尔效应被广泛用于自动检测、自动控制和信息技术领域中的3 个典型应用。
由此可见, 应用霍尔效应可以检测磁场, 但检测磁场并不是霍尔效应的主要用途. 霍尔效应的主要用途是: 应用该效应可制造出传感精度高、线性度好、温度漂移小、输出与输入之间高度隔离的高品质的传感器。
这些传感器被广泛地用在自动检测、自动控制和信息技术中, 进行直流电压隔离传送、直流电流隔离检测和直流电流或者电压越限隔离报警, 把计算机监控系统与受控系统隔离开来, 确保计算机的安全和可靠运行。
因此, 通过上述3 个应用实验可以开阔学生视野, 激励学生学习兴趣。
参考文献：[1]王植恒何原朱俊主编大学物理实验高等教育出版社[2]袁希光.传感器技术手册[ M ]北京: 国防工业出版社.[3]周日贵聂爱球龚勇清等 . 霍尔效应实验误差分析[ J] .物理实验.[4]曾晓英.亥姆霍兹线圈磁场的均匀分析及误差估算[J].物理实验学报[5]杨锡震，杨道生，田强.异常霍尔效应和自旋霍尔效应[J].物理实验Hall effect and application experiment paperBy Shi Mao LinCollege: physical science and technology instituteProfessional: microelectronicsStudent id: 1042023058Abstract: Hall effect was discovered by German physics hall in 1879 with his mentor Roland’s help. This effect in scientific experiments and engineering technology is widely used. We can use it measuring magnetic field, semiconductor carriers in concentration and discriminant carriers polarity; Still can use this principle to finish all kinds of hall devices; It has been widely used in various fields. And in recent years hall effect got important development; Von qualicoat green discovered quantum hall effect; Therefore, von qualicoat green get 1985 the annual Nobel Prize in physics.Keywords:Hall effect Vice effect Hall voltageDc voltage high-precision isolation transmit and detectionDc current precision isolation testMonitoring quantity is limited accurate isolation alarm.。