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霍爾效應

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霍爾效應Hall effect)是指當固體導體放置在一個磁場內,且有電流通過時,導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而產生電壓(霍爾電壓)的現像。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性,可證實導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子(自由電子)之運動所造成。霍爾效應於1879年被埃德溫·赫伯特·霍爾(Edwin Herbert Hall)發現。

除導體外,半導體也能產生霍爾效應,而且半導體的霍爾效應要強於導體。

發現[编辑]

1879年,埃德溫·赫伯特·霍爾(Edwin Herbert Hall)在馬里蘭州約翰霍普金斯大學攻讀博士時發現了霍爾效應。這一發現依靠設計精巧的儀器,比電子的發現還要早18年。


解釋[编辑]

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受到洛倫茲力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此一電場將會使後來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力,使得後來的電子能順利通過不會偏移,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Lbd,磁場垂直於Lb平面。當電流經過Ld平面的方向,電流I=nv (Ld),而n電荷密度。設霍爾電壓為V_H,導體沿霍爾電壓方向的電場為V_H/a。設磁感应強度為B

F_e = F_m
qV_H/a = qvB
V_H/a = BI/(qnad)
V_H = BI/(nqd)

發展[编辑]

美國物理學家霍爾於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壓,這一現象便是霍爾效應。這個電壓也被叫做霍爾電壓。在霍爾效應發現約100年後,德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing, 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爾效應,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(Daniel Chee Tsui,1939- )和美國物理學家勞克林(Robert B.Laughlin,1950-)、施特默(Horst L. St rmer,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。如今,復旦校友、斯坦福教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應”的研究。“量子自旋霍爾效應”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“自旋電子學”計算設備的產生。工業上應用的高精度的電壓和電流型傳感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,由清華大學薛其坤院士領銜,清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破,他們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應,這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現象,也是物理學領域基礎研究的一項重要科學發現。

應用[编辑]

霍爾效應在應用技術中特別重要。霍爾發現,如果對位於磁場中的導體施加一個電壓,該磁場的方向垂直於所施加電壓的方向,那麼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,人們將這個電壓叫做霍爾電壓,產生這種現像被稱為霍爾效應。好比一條路,本來大家是均勻的分佈在路面上,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界,將物體的運動參數轉變為數字電壓的形式輸出,使之具備傳感和開關的功能。迄今為止,已在現代汽車上廣泛應用的霍爾器件有:在分電器上作信號傳感器、ABS系統中的速度傳感器、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傳感器、各種開關,等等。例如汽車點火系統,設計者將霍爾傳感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。

相关新闻[编辑]

北京时间2013年3月15日,《科学》(Science)杂志在线发文[1],宣布中国科学院薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现“量子反常霍尔效应”。[2]

参见[编辑]

引用和注释[编辑]

外部連結[编辑]