霍尔效应实验教学

霍尔效应实验教学（通用8篇）

霍尔效应实验教学 篇1

传统的霍尔效应实验多采用半导体作为霍尔元件进行实验, 但是不能直观动态地显示内部电子的受力运动过程。基于示波管的霍尔效应实验设计通过改装示波管, 外加磁场, 测量所产生的霍尔电压以及观察示波管的荧光屏上电子亮点的移动来直观、动态地验证霍尔效应。结果表明, 所测霍尔电压和荧光屏上电子亮点的移动规律符合霍尔效应原理, 成功验证霍尔效应。

霍尔效应是一种磁电效应, 根据霍尔效应原理制成的霍尔元件在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用.霍尔效应实验也被作为大学物理实验教学中的基础实验项目, 现在大多数学校运用霍尔效应实验组合仪主要是为了使学生加深对霍尔效应原理的理解, 测量半导体的霍尔系数、载流子的浓度及迁移率等。传统的霍尔效应实验以半导体为载体, 采用集成霍尔元件, 只能通过测量半导体两端面的霍尔电压来验证和研究霍尔效应, 而且产生霍尔效应的同时还伴随产生4种副效应 (厄廷豪森效应UE、能斯托相应UN、里纪-勒杜克效应URL以及不等位电势差U0) 。这种实验缺乏直观性, 不利于学生理解和思考霍尔效应的本质和原理。有必要对霍尔效应进行新的实验探索。目前人们对霍尔效应实验进行改进和扩展, 使之可以测定霍尔片载流子浓度、霍尔片长度和横截面积, 进而可以测定霍尔片电导率和迁移率;应用Matlab来处理霍尔效应的实验数据以提高数据处理精度;利用集成霍尔传感器研究霍尔效应及测量螺线管磁场分布等, 目前应用示波管动态地进行霍尔效应实验还没有。通过对示波管改装, 利用电子枪作为电子发射装置, 对霍尔效应实验进行了改进, 达到直观动态的目的。

霍尔效应基本概念

如图1, 固体材料中的载流子在外加磁场中运动时, 受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移, 并在材料两侧产生电荷积累, 形成垂直于电流方向的电场, 最终使载流子受到的洛仑兹力与电场力相平衡, 从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压, 此即经典霍尔效应。

霍尔效应实验设计

霍尔效应仪器设计原理图

图2为实验仪器结构示意图。示波管由电子枪、偏转系统、荧光屏三部分组成, 磁场B垂直于纸面向外, 霍尔电压产生的电场垂直于极板向上。

电子枪由灯丝、阴极、栅极、前加速极 (或称第二栅极) 、第一阳极和第二阳极组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。

电子从阴极射向荧光屏的过程中, 经过两次聚焦过程, 成为极细的电子束进入偏转系统。

偏转系统控制电子射线方向, 使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。互相垂直的偏转极板组成偏转系统, 本次实验只使用X偏转极板, 所以将连接X偏转极板的两根导线接出, 用于连接外电路, 测量霍尔电压UH。

电子枪经加热发射电子, 以接近0的初速度进入加速电场。在加速极板之间, 以加速电压U0对电子加速并聚焦。之后电子以细电子束形态射入偏转极板之间。

在X偏转极板处施加磁场B。电子在磁场作用下受到洛伦兹力, 发生偏转, 打在极板上。电荷逐渐积累, 形成电场EH, 最终产生霍尔效应。

电子在偏转极板间同时受到电场力和洛伦兹力, 随着电荷积聚, 电场增强, 电场力变大, 最终和洛伦兹力平衡。这时两极板间电荷不再增加, 电压不再改变, 电场稳定, 测量即得本实验的霍尔电压UH。

霍尔效应实验设计方案

电子从电子枪加热发射而出, 经加速电压加速, 穿过极板射向荧屏。这个过程产生霍尔效应中所需的工作电流。

在无外磁场的情况下, 观察亮点的移动情况, 测量霍尔电压;在极板处加上垂直于电子束及极板方向的磁场, 电子束因此受到洛伦兹力而偏转, 在极板积聚, 产生电压, 测量得霍尔电压UH;除去磁场, 观察荧光屏上亮点位置移动情况, 待位置稳定后, 测量此时电压。

霍尔效应实验的实现步骤及实验检验

实验步骤

将磁铁和示波管组装在一起, 提供磁场;

连接外电路开关, 打开电源, 开始实验;

调整聚焦及亮度, 使亮点集中到荧光屏中央, 测量霍尔电压;

加载磁场, 测量极板处磁感应强度B, 观察荧光屏亮点移动情况;稳定后, 测量霍尔电压UH;

除去磁场, 观察亮点移动情况, 测量霍尔电压。

实验结果与现象分析

实验数据分析

在X偏转板处所加磁场的磁感应强度B为0.00017T, 示波管内部是固定结构, 为使示波管正常工作, 对电源供给有一定要求, 可分析出加速电压UO为阴极K与第二栅极G2之间的电压, 约为1000V (因为实验时G2电位可调范围为±100V, 实际加速电压为900V至1100V) 。示波器内X偏转板之间的距离 (由于在透明的真空壳体内不能准确测量, 目测为1cm) 约为0.01m。将示波器的亮度调大, 所测电压逐渐增大;当亮度调节到最大时 (输入电压约为900V至1100V) , 所测霍尔电压达到最大值33.8V。理论上, 电子经加速电压加速后, 由

可得:

将加速电压U0 (900V至1000V) 、磁感应强度B (0.00017T) 、板间距离d (0.01m) 以及电子荷质比q/m=1.759*1011C/kg的数值带入公式

可得输出电压U为30.25V至33.44V。这与实验测得的最大输出电压33.8V基本相等。

实验现象及理论解释

不加磁场, 观察亮点位置, 电子束产生的亮点落在示波器荧光屏中间位置, 即水平穿过偏转极板, 这时两极板电压理论值为0, 实验图如图3。

外加磁场磁场, 观察亮点移动情况, 如图4。亮点在荧光屏上迅速向上偏移, 这个过程时间极短。这是受洛伦兹力作用, 使电子束向上偏转。由于偏转极板两侧电荷积聚, 产生霍尔电压, 电子束同时受电场力和洛伦兹力作用平衡。但是由于对于此时电子速度, 极板长度不可忽略, 所以电子束相对中央位置发生偏转。

过3min, 待稳定后, 再除去磁场, 如图5。亮点迅速移动到下方, 这是由于磁感应强度为零, 霍尔效应消失。这个过程是极短的。这些现象都符合霍尔效应, 所以本实验成功验证了霍尔效应。

结语

本文所设计的霍尔效应实验利用电子枪作为电子发射装置, 讨论从阴极发射出的电子经过磁场时产生的霍尔效应现象。从荧光屏上电子的亮度变化可以推断出从通过控制光栅中心小孔的电子密度 (电子数目) 增减;通过观察荧光屏上亮点的移动情况, 得到霍尔效应内部的平衡过程;并根据测量X极板上的霍尔电压判断霍尔效应现象的明显程度。

相比于传统的霍尔效应实验, 本实验仪器最大特点就是实验过程动态可知、实验结果直观易得。通过荧光屏上的亮点亮度变化可以得知电子束密度增减, 亦即电流强弱;两极板电压可以直接测量得霍尔电压;通过观察亮点在荧光屏上移动情况, 可得知霍尔效应内部电子受力平衡过程。因此本实验可以让学生更加清楚地理解霍尔效应的过程和本质。另外本文所设计的霍尔效应实验, 由于仪器由示波管简单改装而来, 所以制作容易, 操作简便, 成本低、互换性强, 适合学生实验。

霍尔效应实验教学 篇2

一、实验名称：霍尔效应原理及其应用

二、实验目的：

1、了解霍尔效应产生原理；

2、测量霍尔元件的、曲线，了解霍尔电压与霍尔元件工作电流、直螺线管的励磁电流间的关系；

3、学习用 霍尔元件测量磁感应强度的原理和方法，测量长直螺旋管轴向磁感应强度及分 布；

4、学习用对称交换测量法(异号法)消除负效应产生的系统误差。

三、仪器用具：YX-04 型霍尔效应实验仪(仪器资产编号)

四、实验原理：

1、霍尔效应现象及物理解释霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛 仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这 种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附 加的横向电场。对于图1 所示。半导体样品，若在x 方向通以电流，在z 方向 加磁场，则在y 方向即样品A、A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的 电场，电场的指向取决于样品的导电类型。显然，当载流子所受的横向电场力 时电荷不断聚积，电场不断加强，直到样品两侧电荷的积累就达到平衡，即样 品

A、A′间形成了稳定的电势差(霍尔电压)。设为霍尔电场，是载流子在电流 方向上的平均漂移速度；样品的宽度为，厚度为，载流子浓度为，则有：(1-1)

因为，又根据，则(1-2)其中称为霍尔系数，是反映材料霍尔效应强弱的重要 参数。只要测出、以及知道和，可按下式计算：(1-3)(1-4)为霍尔元件灵敏度。

根据RH 可进一步确定以下参数。(1)由的符号(霍尔电压的正负)判断样品的导 电类型。判别的方法是按图1 所示的和的方向(即测量中的+，+)，若测得的 <0(即A′的电位低于A 的电位)，则样品属N 型，反之为P 型。(2)由求载流子 浓度，即。应该指出，这个关系式是假定所有载流子都具有相同的漂移速度得 到的。严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著《半导体物理学》)。(3)结合电导率的测量，求载流子的迁移率。电 导率与载流子浓度以及迁移率之间有如下关系：(1-5)

2、霍尔效应中的副效应 及其消除方法上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多。产生上述 霍尔效应的同时还伴随产生四种副效应，使的测量产生系统误差，如图 2 所示。

(1)厄廷好森效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v 沿y 轴负向 运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3 的侧面，从而导致3 侧 面较4 侧面集中较多能量高的电子，结果3、4 侧面出现温差，产生温差电动势。

可以证明。的正负与和的方向有关。(2)能斯特效应引起的电势差。焊点1、2 间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2 两点间温度可能不同，于是 引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热扩散电流也会在 3、4 点间形成电势差。

若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与磁场的方向有关。(3)里纪-勒杜克效 应产生的电势差。上述热扩散电流的载流子由于速度不同，根据厄廷好森效应 同样的理由，又会在3、4 点间形成温差电动势。的正负仅与的方向有关，而与 的方向无关。(4)不等电势效应引起的电势差。由于制造上的困难及材料的不均 匀性，3、4 两点实际上不可能在同一等势面上，只要有电流沿x 方向流过，即 使没有磁场，3、4 两点间也会出现电势差。的正负只与电流的方向有关，而与 的方向无关。综上所述，在确定的磁场和电流下，实际测出的电压是霍尔

效应 电压与副效应产生的附加电压的代数和。可以通过对称测量方法，即改变和磁 场的方向加以消除和减小副效应的影响。在规定了电流和磁场正、反方向后，可以测量出由下列四组不同方向的和组合的电压。即：，：，：，：，：然后 求，，的代数平均值得：

通过上述测量方法，虽然不能消除所有的副效应，但较小，引入的误差不 大，可以忽略不计，因此霍尔效应电压可近似为(1-6)

3、直螺线管中的磁场分 布

1、以上分析可知，将通电的霍尔元件放置在磁场中，已知霍尔元件灵敏度，测量出和，就可以计算出所处磁场的磁感应强度。(1-7)

2、直螺旋管离中点处 的轴向磁感应强度理论公式：(1-8)式中，是磁介质的磁导率，为螺旋管的匝数，为通过螺旋管的电流，为螺旋管的长度，是螺旋管的内径，为离螺旋管中点的 距离。X=0 时，螺旋管中点的磁感应强度(1-9)

五、实验内容：测量霍尔元件的、关系；

1、将测试仪的“调节”和“调节”旋 钮均置零位(即逆时针旋到底)，极性开关选择置“0”。

2、接通电源，电流表显 示“0.000”。有时，调节电位器或调节电位器起点不为零，将出现电流表指示末 位数不为零，亦属正常。电压表显示“0.0000”。

3、测定关系。取=900mA，保持 不变；霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm 处与读数零点对 齐)。顺时针转动“调节”旋钮，依次取值为1.00，2.00，…，10.00mA，将和极 性开关选择置“+”和“-”改变与的极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记 录表 1。

4、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。

5、测定关系。

取=10 mA,保持不变；霍尔元件置于螺旋管中点(二维移动尺水平方向14.00cm 处与读数零点对齐)。顺时针转动“调节”旋钮，依次取值为0，100，200，…，900 mA，将和极性开关择置“+”和“-”改变与的极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记录表2。

6、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。测 量长直螺旋管轴向磁感应强度

1、取=10 mA，=900mA。

2、移动水平调节螺钉，使霍尔元件在直螺线管中的位置(水平移动游标尺上读出)，先从 14.00cm 开始，最后到0cm 点。改变和极性，记录相应的电压表读数值，填入数据记录表3，计算出直螺旋管轴向对应位置的磁感应强度。

3、以为横坐标，为纵坐标作图，并对曲线作定性讨论。

4、用公式(1-8)计算长直螺旋管中心的磁感应强度的理 论值，并与长直螺旋管中心磁感应强度的测量值比较，用百分误差的形式表示 测量结果。式中,其余参数详见仪器铭牌所示。

六、注意事项：

1、为了消除副 效应的影响，实验中采用对称测量法，即改变和的方向。

2、霍尔元件的工作电 流引线与霍尔电压引线不能搞错；霍尔元件的工作电流和螺线管的励磁电流要 分清，否则会烧坏霍尔元件。

3、实验间隙要断开螺线管的励磁电流与霍尔元件 的工作电流，即和的极性开关置0 位。

4、霍耳元件及二维移动尺容易折断、变 形，要注意保护，应注意避免挤压、碰撞等，不要用手触摸霍尔元件。

七、数 据记录：KH=23.09，N=3150 匝，L=280mm,r=13mm 表1 关系(=900mA)(mV)(mV)(mV)(mV)

1.00 0.28-0.27 0.31-0.30 0.29 2.00 0.59-0.58 0.63-0.64 0.613.00 0.89-0.87 0.95-0.96 0.904.00 1.20-1.16 1.27-1.29 1.235.00 1.49-1.46

1.59-1.61 1.546.00 1.80-1.77 1.90-1.93 1.857.00 2.11-2.07 2.22-2.25

2.178.00 2.41-2.38 2.65-2.54 2.479.00 2.68-2.69 2.84-2.87 2.7710.00

2.99-3.00 3.17-3.19 3.09 表2 关系(=10.00mA)

(mV)(mV)(mV)(mV)

0-0.10 0.08 0.14-0.16 0.12 100 0.18-0.20 0.46-0.47 0.33200 0.52-0.54

0.80-0.79 0.66300 0.85-0.88 1.14-1.15 1.00400 1.20-1.22 1.48-1.49

1.35500 1.54-1.56 1.82-1.83 1.69600 1.88-1.89 2.17-2.16 2.02700

2.23-2.24 2.50-2.51 2.37800 2.56-2.58 2.84-2.85 2.71900 2.90-2.92

3.18-3.20 3.05 表3 关系=10.00mA，=900mA(mV)(mV)(mV)(mV)B×10-3T 00.54-0.56-0.73-0.74 2.88 0.5 0.95-0.99 1.17-1.18 4.641.0 1.55-1.58

霍尔效应实验教学 篇3

一、霍尔元件的选取和加工处理

1. 霍尔元件的选取

霍尔效应实验的核心器材是霍尔元件 (霍尔传感器) , 但目前市面上很少有专供中学实验室使用的霍尔元件出售, 需要教师到专业商店进行选购。由于笔者所在地并没有这样的专门商店, 所以选择了在网上购置。网上出售的霍尔元件分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种类型, 前者输出模拟量, 后者输出数字量。由于实验要观察的是霍尔传感器的输出电压与外加磁场强度的线性关系, 所以演示实验中所要选择的是线性型霍尔传感器, 如HW-101A, THS119等型号, 其中HW-101A为贴片型霍尔传感器。

笔者在尝试过程中, 由于事先对这两种类型缺乏必要的了解, 在选择时曾经走过一段弯路, 起初购置回来的是开关型霍尔传感器, 而不是线性型霍尔传感器, 结果导致实验中反复操作, 都没能观察到预想的“输出电压与外加磁场强度呈线性关系”现象的出现, 当时还百思不得其解。

2. 贴片型线性霍尔元件的加工

市售的贴片型线性霍尔元件价格比较便宜, 但是个又薄又脆的半导体元件, 体积很小, 引线很细, 且不牢固, 极容易扯断, 并不能直接使用。为了防止在实验中霍尔贴片或引脚线断裂, 延长其寿命, 以及考虑使用上的方便, 需要对买回来的贴片型线性霍尔传感器进行适当的加工处理。经过多次尝试, 笔者选择了先将贴片型线性霍尔传感器的4个引脚线分别焊接在线路板4个各不相连的洞口 (事先对相关洞口进行分割处理) 上进行固定, 然后再从线路板背面将4个引脚线焊接延长至固定线路板基座 (笔者使用的是实验室中的一个废旧小灯座) 的4个接线柱上 (如图1所示) 。这样, 今后无论是在接线还是实验操作过程中, 正常使用时都不会随意触碰到贴片型线性霍尔传感器自身, 最大限度地避免了对霍尔传感器的损坏。此外, 在焊接贴片型线性霍尔传感器时, 应注意电烙铁温度控制在300℃以下, 焊接时间控制在3 s以内, 否则高温可导致芯片损坏。焊接过程中应尽量避免手直接接触霍尔传感器的金属管脚, 否则人体静电容易将芯片击穿, 可佩戴防静电手环或者手指套。

二、电路图及其他相关器材的选择

1. 实验电路图

实验所用电路图如图2所示。需要注意的是霍尔传感器的4个脚应按图3所示方式交叉进行连接, 即 (1) (3) 为一个组, (2) (4) 为另一个组, 分别连接到对应电路中。在图2所示的电路图中, (1) (3) 组与电源、变阻器等相连接形成电流控制电路, (2) (4) 组直接与电压表相连接显示输出霍尔电压。

2. 其他相关器材的选择

控制电路中电源、电流表和变阻器的规格及型号的选择, 具体应根据实验电路中所用霍尔元件的“最大输入电流”这个参数来确定。笔者在实验时用的是型号为HW-101A的霍尔元件, 其“最大输入电流”参数为10 m A, 所以电源是用两节干电池组成的电池组, 电流表选用的是量程为10 m A的演示电表, 变阻器选择的是最大阻值为100Ω的滑动变阻器。实验中如果只需要演示霍尔输出电压与外加磁场的关系, 为了便于操作, 也可以将变阻器用一定值电阻替代, 并直接焊接在电路中, 如图3中的标示 (5) 所示。当然一旦电路中焊接有定值电阻, 也就限定了与之连接的霍尔元件的这个引脚及相对的另一个引脚只能与电源等相连接组成控制电路了。

霍尔效应实验教学 篇4

130年多前, 美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应, 1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应, 1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应, 这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖。由此, 物理学家认为量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身, 并在实验上观测到成为近些年凝聚态物理学家探索的重要难题之一。拓扑绝缘体这个新领域出现之后, 2006年, 美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应, 并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中可实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年, 我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作提出Cr或Fe掺杂的Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜可能是实现拓扑绝缘体的最佳体系。但是, 要在实验上实现反常霍尔效应的量子化需要拓扑绝缘体材料同时满足三项非常苛刻的条件:材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度, 而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战, 德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。

自2009年起, 在薛其坤院士的带领下, 清华大学物理系王亚愚、陈曦和贾金锋与中科院物理所马旭村、何珂、王立莉和吕力组成的实验团队, 与张首晟、方忠和戴希等理论物理学家合作, 开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

在过去近四年的时间里, 团队生长和测量了超过1000个样品, 克服了重重障碍, 一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测、特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。

霍尔效应实验教学 篇5

霍尔效应的具体内容是:一个霍尔元件一般有四个引出端子, 其中两根是霍尔元件的偏置电流I的输入端, 另两根是霍尔电压的输出端。将霍尔元件垂直的放在磁场B中, 如果将霍尔元件加以外部的基准电压, 且这个基准电压V0垂直于磁场的方向, 则霍尔元件中将会通过一个由V0建立的霍尔电流I。此时, 在洛伦兹力的作用下电子将会发生偏移, 则在垂直于电流和磁场的方向上, 将产生电势差为U的霍尔电压。

2 基于霍尔效应的霍尔传感器

霍尔传感器基本原理图1所示, 通常, 在霍尔传感器中, 对于一个给定的霍尔元件, 由外部ECU单元给传感器提供一个固定的基准电压V0=X伏, 则形成一个固定的偏置电流I 。

磁场是改变的。首先由一个永久磁铁提供一个磁场B, 利用一个随着测量机件旋转的金属信号盘来切割磁场。当信号盘金属部分的位置处于磁铁与霍尔元件之间时, 磁场被金属信号盘引走, 霍尔元件没有磁场, 因此没有霍尔电压。当信号盘的非金属部分的位置恰恰处于磁铁与霍尔元件之间时, 磁铁的磁场能够顺利传递到霍尔元件, 形成霍尔电压。信号盘连续旋转, 则产生脉冲式的霍尔电压, 即信号。霍尔电压加诸于三极管的基级, 进而控制集电极与发射极的导通情况, 传感器通过三极管的发射极向ECU传递一个脉冲的电压信号, 这是传感器的真正输出信号。

3 基于霍尔效应的霍尔传感器检测

传感器三线分别为正极电源线、地线、信号线, 霍尔式传感器电路简图图2所示。信号线通常是中间一条线, 信号方波可用示波器监测。

3.1 VC的检查

霍尔式传感器VC的检查图3所示, 万用表选择直流电压20V的量程, 黑表笔直接搭铁, 红表笔测量从ECU输向传感器的VC端。在点火开关接通的情况下应有电压, 有的此电压为5V, 也有9V、12V。

3.2 E的检查

霍尔式传感器E的检测图4所示, 在点火开关断开的情况下拔下传感器插头, 万用表选择嗡鸣档位。一支表笔直接搭铁, 另一只表笔测量从传感器走向ECU的搭铁端, 测量结果应为导通。

3.3 信号线的检查

霍尔式传感器的信号的检测图5所示, 霍尔式传感器的信号的检测, 使用示波器测量, 检测结果为脉冲信号。

摘要：霍尔效应是磁电效应的一种, 这一现象是霍尔 (A.H.Hall, 1855—1938) 于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应, 而半导体的霍尔效应比金属强得多, 利用这现象制成的各种霍尔元件, 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。本文阐述了霍尔效应的基本原理, 并介绍了基于霍尔效应的霍尔传感器的基本结构与工作原理。结合常用霍尔传感器, 分析了其故障检测方法与步骤。

霍尔效应实验教学 篇6

一、量子霍尔效应

按照经典霍尔效应理论, 霍尔电阻RH应随B连续变化, 并且随着n (载流子浓度) 的增大而减小, 但是, 1980年, 克利青在1. 5 K极低温度和18. 9 T强磁场下, 测量金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管时, 发现其霍尔电阻RH随磁场的变化出现了h一系列量子化平台, 即RH= Ne2 (h为普朗克常数, e为电子电量, N = 1, 2. 整数) , 这种现象称为整数量子霍尔效应 (IQHE) .什么是QHE, 简单地说, 就是在一定条件下, 处在强磁场中的二维电子系统, 其电导率张量为其中i是整数. 也就是说, 电流密度j严格地与电场E垂直, 且电流值是量子化的.

从 (1) 式可知, 当Ex= 0时

将 (2) 式记为

二、量子霍尔效应与中学物理的结合

由于高中生的知识所限, 课本及辅导书的习题主要是围绕经典霍尔效应来设计和解答的, 但老师在必要的时候应该适当给学生渗透一些量子霍尔效应的理念, 这样对拓宽学生的知识面和学习兴趣大有好处. 下面列举一些典型例题和解法以供参考.

例1摇如图1为一电磁流量计的示意图, 其截面为正方形的非磁性管, 每边边长为d, 导电液体流动, 在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场, 磁感应强度为B. 现测得液体a、b两点间的电势差为U, 求管内导电液体的流量Q.

分析:导电液体经磁场时, 在洛仑兹力的作用下, 正离子向下偏转, 负离子向上偏转, 在管内液体的上表面积累负电荷, 下表面积累正电荷, 产生一个方向竖直向上的电场, 形成一个相互垂直的电场和磁场的复合场. 进入这个复合场的正、负离子不仅受洛仑兹力, 同时还受与洛仑兹力相反方向的电场力作用, 当两者平衡时, 进入的离子匀速通过管子, 不再发生偏转, 此时a、b两点间的电势差U保持恒定.

例2摇在原子反应堆中抽动液态金属等导电液时, 由于不允许传动机械部分与这些流体相接触, 常使用一种电磁泵. 图1表示这种电磁泵的结构. 将导管置于磁场中, 当电流I穿过导电液体时, 这种导电液体即被驱动. 若导管的内截面积为a×h, 磁场区域的宽度为L, 磁感强度为B, 液态金属穿过磁场区域的电流为I, 求驱动所产生的压强差是多大?

分析:本题的物理情景是:当电流I通过金属液体沿图3所示竖直向上流动时, 电流将受到磁场的作用力, 磁场力的方向可以由左手定则判断, 这个磁场力即为驱动液态金属流动的动力.

解: 由这个驱动力而使金属液体沿流动方向两侧产生压强差Δp. 故有F = BIh, ( 1) ( 2) 联立解得

课后布置一个作业, 让学生调查一个应用霍尔元件的实例, 让学生对霍尔效应有个感性的认识, 从而真正对霍尔效应产生浓厚的兴趣.

霍尔效应在汽车传感器中的应用 篇7

随着汽车电子控制技术的发展, 传感器作为汽车电子控制系统的信息源, 广泛应用在汽车发动机、底盘、车身的各个系统中。汽车传感器就是利用各种原理、效应和规律作为依据, 把汽车运行的各种状态信息, 由非电量信号转变为电信号输入给汽车控制单元。利用霍尔效应的传感器由于具有结构牢固, 体积小, 重量轻, 寿命长, 安装方便, 功耗小, 频率高, 耐震动, 不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀, 工作温度范围宽等优点, 霍尔效应在汽车传感器上得到了大量的使用。

1 什么是霍尔效应

霍尔效应如图1所示, 是指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压。

霍尔电压的大小与通过的电流I及磁场强度B成正比, 可由下式表示:

式中I—穿过导体的电流;B—垂直于导体的磁感应强度;d—长方体形导体的高度;q—电子电荷量;n—载流子密度。

2 霍尔效应在汽车转速传感器中的应用

霍尔传感器的输出电压信号与被测量物体的转速无关。它是将转速转换为脉冲信号测量, 所以即使转速是零或者理论上转速极限快, 其均可以满足转速的测量, 因此现代汽车转速传感器开始大量使用霍尔式传感器。

汽车上常用的转速传感器主要有发动机转速传感器、车速传感器和车轮轮速传感器等, 霍尔式转速传感器在测量转速时, 被测量转子部件会经过传感器的前端, 引起磁场的相应变化, 如图2 (a) 所示。当运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时, 磁场相对较弱, 如图2 (b) 所示。当穿过产生磁力线较为集中的区域时, 磁场就相对较强。霍尔式转速传感器就是通过磁力线密度的变化, 在磁力线穿过传感器上的感应元件时产生霍尔电压。霍尔式转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电压后, 会将其转换为交变电信号, 最后传感器的内置电路会将信号调整和放大, 输出矩形脉冲信号。

霍尔式转速传感器的测量必须配合磁场的变化, 因此在霍尔转速传感器测量非铁磁材质的设备时, 需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质, 用以改变传感器周围的磁场, 这样霍尔转速传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。

霍尔式转速传感器相对于电磁式和光电式转速传感器具有以下优势:输出信号电压幅值不受转速影响;频率响应高, 其频率高达20 k Hz, 相当于车速为1000 km/h时所检测的信号频率;对电磁波的抗干扰能力强, 不会因环境的因素而产生误差。

1.磁体2.霍尔元件3.齿圈

3 霍尔效应在汽车点火系统中的应用

在汽车点火系统中, 有一种是以霍尔信号发生器进行触发的点火系统, 该系统的信号发生器是应用霍尔效应原理制成的, 所以又称为霍尔式电子点火系统。

霍尔信号发生器是利用霍尔元件的霍尔效应工作的, 即利用只有在直流电压和磁场同时作用于霍尔发生器时, 才能在发生器中产生电压信号, 此信号使发动机工作时产生点火信号。霍尔发生器的工作原理如图3 (a) 所示, 当转子叶片进入永久磁铁与霍尔发生器之间时, 永久磁铁的磁力线被转子叶片挡住, 不能作用到霍尔发生器上, 通过霍尔元件的磁感应强度近似为零, 霍尔元件不产生电压;随着信号转子的转动, 当转子的缺口部分进入永久磁铁与霍尔发生器之间时, 磁力线穿过缺口作用于霍尔发生器上, 通过霍尔元件的磁感应强度增高, 在外加电流和磁场的共同作用下, 霍尔元件的输出端便有霍尔电压输出。发动机工作时, 转子不断旋转, 转子的缺口交替地在永久磁铁与霍尔发生器之间穿过, 使霍尔发生器中产生变化的电压信号, 并经内部的集成电路整形为规则的方波信号, 输入点火控制电路, 控制点火系统工作。

(a) 转子叶片处于永久磁铁和霍尔发生器之间 (b) 转子缺口处于永久磁铁和霍尔发生器之间1.永久磁体2.带缺口的转子3.霍尔发生器

霍尔式点火信号发生器比磁脉冲式点火信号发生器性能稳定, 耐久性好, 寿命长, 点火精度高, 且不受温度、灰尘、油污等影响, 特别是输出的电压信号不受发动机转速的影响, 使发动机低速点火性能良好, 容易启动, 因而其应用日益广泛。

4 霍尔效应在汽车位置传感器中的应用

汽车上常用的位置传感器主要有曲轴和凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、加速踏板位置传感器和离合器位置传感器等, 霍尔式位置传感器已经大规模的应用在汽车上位置的测量。由于霍尔式位置传感器是基于霍尔效应, 所以其工作原理也是类似于霍尔效应原理。本文以测量节气门位置为例, 来分析霍尔元件测量位置的工作原理。

霍尔型节气门位置传感器由霍尔元件和可绕其转动的磁体组成, 如图4所示。磁铁安装在与节气门轴相连的轴上, 和节气门一起转动。当节气门开启时, 磁铁同时转动, 通过霍尔元件的磁通量就会发生变化, 霍尔元件输出的电压信号也就发生改变, 通过合理的结构设计, 可使霍尔元件随磁铁的旋转, 霍尔电压产生线性变化。霍尔式节气门位置传感器就是利用霍尔效应, 将节气门位置的变化转换成磁通量密度的变化, 来精确地测量节气门的开度。

霍尔式节气门位置传感器采用无接触方式, 不但结构简单、成本低, 而且在使用中无磨损、精度高、寿命长, 不易发生故障。为了确保此传感器的可靠性, 通常使用具有不同输出特性的两个系统输出信号。

5 总结

本文重点介绍了霍尔效应在汽车转速传感器, 汽车点火系统及汽车位置传感器中的应用, 随着传感器技术的发展, 霍尔效应在制动踏板行程、加速度、高度测量及开关等也逐渐得到应用。由于霍尔式传感器具有结构简单、精度高、抗干扰能力强等优点, 在汽车上的使用有着更广阔的前景。

参考文献

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[2]李雷.汽车底盘电控系统检修[M].北京:人民邮电大学出版社, 2009.

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[4]李闪, 周军.霍尔传感器在汽车电子中的应用[J].湖南农机, 2011 (5) :64-65.

[5]魏冬至, 张梅红.浅谈磁电式与霍尔式速度传感器在汽车上的区别[J].科学之友, 2007 (7) :51-53.

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[7]王素红.霍尔传感器的检修方法及技巧[J].大学物理实验, 2011 (4) :40-41.

霍尔效应实验教学 篇8

关键词：仪控系统,转速霍尔效应,仪控汽动泵,核电厂

秦山第二核电厂总共有4 台650MW的压水堆机组, 每台机组的蒸发器辅助给水系统由两台电动和汽动辅助给水泵及其相应的管道和阀门组成, 其中每台汽动泵的超速控制系统主要由转速探头和机柜组成。汽动泵转速探头采用的美国ELECTRO-SENSORS公司生产的基于霍尔效应的转速传感器, 本文将分别阐述该转速传感器的测量原理、安装方式以及使用方法, 为霍尔传感器在电厂的推广使用做借鉴。

1 霍尔传感器的测量原理及其应用

1.1 霍尔效应的基本原理

置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称为霍尔效应。该电动势称为霍尔电势。

1.2 霍尔元件的材料和结构

霍尔元件的输出与灵敏度有关, 灵敏度系数越大, 输出就越大。灵敏度系数的大小, 取决于元件的材料性质和几何尺寸。

霍尔元件常用的半导体材料有N型硅、N型锗、锑化铟等。其中N型锗容易加工, 其霍尔系数, 温度性能, 输出线性都较好, 应用非常普遍。

霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片, 四根引线和壳体组成。霍尔片是矩形半导体单晶片。元件的长度方向的两个端面上焊有a、b两根控制电流端引线。

2 霍尔转速传感器在核电厂的应用

2.1 1101型转速探头的应用原理

秦山二厂汽动泵超速控制系统的转速探头是霍尔传感器在转速测量中的典型应用。

Electro-Sensor公司设计的1101 型霍尔效应转速探头与能提供交替极性靶磁体的脉冲发生器一起使用, 其中脉冲发生器固定安装在汽动泵的一个转动轴上面, 当脉冲发生盘跟随汽动泵在转速探头前转动时, 脉冲发生盘会产生一个交替变化的磁场, 在霍尔效应的作用下, 转速探头内部的霍尔元件会有相应的感应电压产生, 电压的变化与磁场的变化相关, 继而推动探头的一个NPN集电极输出一个占空比为50% 的方波频率信号, 该频率信号与泵的转速成正比, 输出频率信号的峰值电压为7.45VAC左右。

2.2 1101型转速探头安装和使用方法

标准的转速探头上面配备一个安装架和两只防松螺母. 安装传感器时, 应在脉冲发生盘转动时使磁体中心线在转速探头中心的前面通过。当使用脉冲发生盘时, 脉冲发生盘的磁化区中心距离脉冲发生盘的中心孔应为7 / 4英寸 ( 约44mm) , 如图1 中的尺寸B所示。转速探头和脉冲发生盘之间的间隙应为1 / 4±1/ 8 英寸 ( 约3.18-9.52mm) , 如图1 中的尺寸A所示. 通过调整转速探头固定在安装架上面的一颗防松螺母可获得正确的间距。

探头的工作电压为5-25Vdc, 现场的提供给探头的工作电压是15Vdc, 由控制柜内部的转速处理装置 (DSP) 提供, 探头NPN集电极输出端的接线总共有四根线, 分别是红色电源线、透明色的信号线、黑色的地线以及一根屏蔽线。在电源线和信号线之间设计了一个2.2KΩ的上拉电阻, 如下图2所示。拆装接线时特别要注意的是, 一定要防止电源线和信号线出现短路的现象, 一旦短路的话, 探头很容易烧毁。因此, 在拆接线时最好能够把电源断电, 在接线完成后上电之前要再次确认接线方式正确。

2.3 1101型转速探头的校验

1101 型转速探头是汽动泵超速保护系统的测量元件, 探头的信号送到后端的转速处理装置进行转换并在就地和主控进行显示, 因此转速探头的好坏直接影响到超速保护系统能否正常发挥作用的基础, 转速探头的校验工作就是用来检查探头的性能是否正常以保证在下面运行周期内能正常工作。

3 结语

1101 型霍尔转速探头自现场投运以来, 性能稳定, 运行状态良好, 仪控人员通过日常的维护和系统的学习很好的掌握了霍尔传感器的使用, 为日后的同行交流奠定基础。

参考文献

[1]祝诗平, 李鸿征, 朱杰斌.传感器与检测技术[M].北京:中国林业出版社-北京大学出版社, 2006:137.