霍尔效应与霍尔器件.pdf

2 0 1 0年 l 1 月 V o 1 2 8 N o 2 1 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4 5 5 0 0 2 1 8 9 7年 霍尔 E H Ha 1 1 发现了霍尔效应 当今 根据 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 等技术中 又因德国物理学家克利青 K V K l i t z i n g 因发 现量子 霍尔效应 而荣获 1 9 8 5年度诺 贝尔物 理学 奖 美 籍华 裔物理学家崔琦 美籍德裔物理学家施特默 H L S t o r me r 和美国物理学家劳克林 R B L a u g h l i n 因发现分数量子霍 尔效应 而荣获 1 9 9 8年度诺 贝尔物理 学奖 霍 尔效应 引起了 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 应 介绍霍尔器件的应用与检测方法 1 霍尔效应 1 1 经典霍 尔效应 1 8 9 7 年 霍尔 E H H a l 1 在导师罗兰 H A R o wl a n d 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 响的问题 发现 如 图 1所示 将载 流导体板 放在 磁场 中 使 磁场方向垂直于电流方向 在导体板两侧 之间就会 出现 横向电势差 u 这种现象称之为霍尔效应 导体板两侧形成 1霍尔效应原瑚 的电势差 U称为霍尔 电压 霍尔效应可以从运动电荷受到的洛伦兹力得到解释 实 验表明 霍尔电压 己 与电流 J 磁感应强度 B都成正比 与板 的厚度 d成反 比 其公式 为 U K 1 了 B 式中 K 为比例常数 称为霍尔系数 它由导体 或半导 体 材料的性质所决定 1 2 量子 霍尔效应 1 9 8 0年德国物理学家冯 克利青在研究处于极低温度 1 5 K和强磁场 l 8T的作用下 硅的金属 一氧化物 一半导体 场效应晶体管 MO S F E T 在二维体系的霍尔效应实验中 发现了一个与经典霍 尔效应完 全不 同的现象 霍尔 电阻 R 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 R 的值可以用下式来统一描述 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 MO S F Wr 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 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 m g 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 即一 t q m g l 2 M 7 n g L 0 一 号 M m 1 m g一 2 7 M g J L 0一寺 My 再对木箱应用动能定理有 解得 L 一 ra g L z 0一 1优 z 7J 可解得L 生 5 板演 解法 2 用质点系 系统 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 m g 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 O f 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e et 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 mg 1 考虑系统内力做 功的情况 6 4 克利青等荣获了 1 9 8 5年 的诺 贝尔物理学奖 目前对R 的测 a 量精确度 已达 1 0 以上 量 子 霍尔效应具有如此高的精确度 和复现性 产生了一种新 的电 阻国际标准 于工业生产自动控制系统中 2 5 霍尔传感器在工业生产导磁产品计数中的应用 对于批量导磁产品的计数 当传送带上的导磁产品经过 磁钢的极间时 磁钢端面上的霍尔元件便输出一个信号 经 放大整形和数字显示 可实现自动计数 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 4 r n r n 1 0 r n I n 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 H Z H T HS 系列 如 图 4 2 二 二 j L 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 对 H Z系列产品应选择万用表 R 1 0 档 对 HT HS 系列产 品 一 般选择万用表 R 1 档 测量结果应与表中值相符 正 反 向测量阻值无明显差别 若电阻值为零或无穷大 说明元件 已损坏 3 2波 形 法 使霍尔器件在通电的情况下 用示波器接到霍尔元件输 出端 应有 0 1 0 3 v p 一 的方波形输出 其