霍爾效應與它的應用

張運策

摘 要：霍爾效應是一種磁電效應，日常生活中隨處可見各種各樣的用半導體材料做成的霍爾元器件。自20世紀80年代起，微機械加工技術越來越成熟，大規模集成電路有了巨大的發展，霍爾元件也改變了一貫的平面發展方向，轉向三維發展。從此，三端口和四端口的傳感器相繼被生產出來，加上集成電路錦上添花的作用，很快便得到了廣泛的應用。

關鍵詞：霍爾效應 應用

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-01

引言

站在歷史的長廊中來看，霍爾效應自1879年被發現，至今已有百年以上的歷史。但總的來說包括以下三個階段：第一階段需歸朔到20世紀40年代前期，當時的技術還處于比較落后的狀態，金屬材料中電子濃度比正常水平高，導致霍爾效應十分微弱，人們并沒有太關注于它，即使生產出來的傳感器價值也不大。第二階段則是20世紀40年代中期，半導體技術出現后，各式各樣的半導體元件出現在人們的生活中。跟隨著時代的腳步和科技的迅猛發展，采用分立霍爾元件加工制造的傳感器逐漸聞名于世。第三階段主要是從60年代后期開始，電路技術不斷發展起來，出現了將相關信號和半導元件調節電路集成在一起的霍爾傳感器，并在生活中得到廣泛運用。

一、霍爾效應

1879年，霍爾通過測量磁場方向不同情況的螺旋狀金屬絲總電阻發現了霍爾效應，它說明了磁場與感應電壓之間的關系。它與傳統效應最大的差別是：假設，導體于磁場中，使電流通過，磁場便會產生與電子方向垂直方向的作用力于導體。由此，導體兩端便產生電勢差，將其稱為霍爾電勢差。

即使曾經這個效應被大家所了解，然而，基于霍爾效應制造的傳感器并沒有帶來實質性的效應，因此并沒有得到廣泛應用。但隨著科技的不斷更新進步，出現了高強度恒定磁體，還有小電壓輸出信號調節的電路。通過改變不同的設計和配置，霍爾效應傳感器才可以作為線性或者開關傳感器。

二、霍爾效應原理

由于磁場作用力的影響，導體中的載流子受到洛侖磁力的影響產生偏移，形成了一種和電流相垂直方向的電場。導體想要穩定的運行必須設法建立一個平衡的狀態，于是，穩定的電壓便被建立了，在穩定電壓的作用下，電場之間的斥力和洛侖磁力達到平衡。

所以，如果導體的霍爾系數已知，已知電流方向和大小，與此同時，測出該導體兩側的霍爾電勢差的方向與大小，就可以得到該導體所處于的磁場的方向和大小。

三、霍爾效應的應用

依靠國家對科技的大力支持，科學技術的不斷前進，半導體工藝取得了飛速的發展，人們很快發現了使用半導體材料制成的元件具有體積小、輸出電壓變化大、對磁場較敏感的特點。近年來，越來越多的半導體霍爾元件被廣泛應用于電磁測量、計算和通訊設置中。下面以幾個例子簡要說明霍爾效應的應用。

1.測量半導體的特性

霍爾效應對于半導體材料來說起著至關重要的作用。假如說，與電流方向相反的方向為帶負電的載流子，此時，有向下的洛侖磁力。由此可見，導體的上界面帶正電，帶負電的處于下界面。通過這個結論可以看出，上下界面一旦被測出符號以后，便可以確定載流子的符號了，然后就可以測出半導體是P型還是N型。

2.磁流體發電

科學發展是第一生產力。從20世紀50年代末開始進行磁流體發電技術的研究。霍爾效應的應用主要歸功于等離子，電動勢主要是依靠磁場中的等離子分離集聚形成的兩個極板。這種方式打破了傳統的發電形式，將燃燒的熱能轉化為機械能去使用，新型的發電方式映入眼簾，它的熱能效率轉化較之前有了大大的提高，而且滿足了環境對環保的要求。

3.電磁無損探傷

探傷方面的應用也是霍爾效應的一項重大突破，主要是利用鐵磁性材料有高磁導率這個特點的基礎上發展的。我們可以通過對元件的磁場信號的檢測來確認是否有缺陷的存在，就拿我們常用的鋼絲繩來說，它經常被用于起重、運輸等承載的設備中，但是在被應用于礦山等環境惡劣的情況下的時候，它的表面就易產生磨損，及時對鋼絲繩探傷是非常重要的。無損探傷是迄今工業中較為安全可靠的一種檢測方法，經常被用于各種材料和設備的診斷上。

4.霍爾傳感器

以霍爾原理構成的各種磁敏傳感器被簡稱為霍爾傳感器，它的原理是利用電壓與外加磁場的關系，兩者的正比關系可以制造出很多種線性傳感器，包括電學傳感器和非電學傳感器。比如說，測量磁場的方式有很多，就如控制電流的大小，不僅可以測出交、直流的磁感應強度，還可以測量出磁場的強度。另一方面，可以讓磁場為定量，控制為一定的方向和大小，可以測量交流和直流的電壓和電流。

利用這個原理，電學以外的非電學量也可以被測試出來，比如位移、振動就可以被精確的測量出來。由此可見，霍爾傳感器對我們的日常生活有著至關重要的影響，在工業生產上也有著越來越廣泛的應用。

總結

霍爾效應是一項很早的物理研究。隨著高新技術的不斷發展，在新的實驗條件下，在霍爾效應的基礎上發展了整數霍爾效應，再到分數霍爾效應，已經取得了不少的新的科研成果，對物理學的發展也起著不可忽視的作用，對于這一效應本身而言，也是一次質的飛躍。或許，以后會有新的磁電子學科目的產生，霍爾效應促進科技的進一步發展，帶動我們的生活進一步完善都是有可能的，我們在不斷努力中期盼新的科學成果。

參考文獻

[1]魏作余，趙靜.霍爾效應實驗及其生活中的應用[J].品牌（下半月），2014（11）：159.

[2]戴國平.霍爾效應原理與應用分析[J].科協論壇（下半月），2013（11）：34-35.

[3]祝強，劉艷鳳.霍爾效應的應用及其展望[J].黑龍江科技信息，2012（18）：53+146.

[4]王本菊.霍爾效應及其應用[J].中國校外教育，2011（12）：76+107.