霍尔效应与它的应用

张运策

摘 要：霍爾效应是一种磁电效应，日常生活中随处可见各种各样的用半导体材料做成的霍尔元器件。自20世纪80年代起，微机械加工技术越来越成熟，大规模集成电路有了巨大的发展，霍尔元件也改变了一贯的平面发展方向，转向三维发展。从此，三端口和四端口的传感器相继被生产出来，加上集成电路锦上添花的作用，很快便得到了广泛的应用。

关键词：霍尔效应 应用

中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）12-0-01

引言

站在历史的长廊中来看，霍尔效应自1879年被发现，至今已有百年以上的历史。但总的来说包括以下三个阶段：第一阶段需归朔到20世纪40年代前期，当时的技术还处于比较落后的状态，金属材料中电子浓度比正常水平高，导致霍尔效应十分微弱，人们并没有太关注于它，即使生产出来的传感器价值也不大。第二阶段则是20世纪40年代中期，半导体技术出现后，各式各样的半导体元件出现在人们的生活中。跟随着时代的脚步和科技的迅猛发展，采用分立霍尔元件加工制造的传感器逐渐闻名于世。第三阶段主要是从60年代后期开始，电路技术不断发展起来，出现了将相关信号和半导元件调节电路集成在一起的霍尔传感器，并在生活中得到广泛运用。

一、霍尔效应

1879年，霍尔通过测量磁场方向不同情况的螺旋状金属丝总电阻发现了霍尔效应，它说明了磁场与感应电压之间的关系。它与传统效应最大的差别是：假设，导体于磁场中，使电流通过，磁场便会产生与电子方向垂直方向的作用力于导体。由此，导体两端便产生电势差，将其称为霍尔电势差。

即使曾经这个效应被大家所了解，然而，基于霍尔效应制造的传感器并没有带来实质性的效应，因此并没有得到广泛应用。但随着科技的不断更新进步，出现了高强度恒定磁体，还有小电压输出信号调节的电路。通过改变不同的设计和配置，霍尔效应传感器才可以作为线性或者开关传感器。

二、霍尔效应原理

由于磁场作用力的影响，导体中的载流子受到洛仑磁力的影响产生偏移，形成了一种和电流相垂直方向的电场。导体想要稳定的运行必须设法建立一个平衡的状态，于是，稳定的电压便被建立了，在稳定电压的作用下，电场之间的斥力和洛仑磁力达到平衡。

所以，如果导体的霍尔系数已知，已知电流方向和大小，与此同时，测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，就可以得到该导体所处于的磁场的方向和大小。

三、霍尔效应的应用

依靠国家对科技的大力支持，科学技术的不断前进，半导体工艺取得了飞速的发展，人们很快发现了使用半导体材料制成的元件具有体积小、输出电压变化大、对磁场较敏感的特点。近年来，越来越多的半导体霍尔元件被广泛应用于电磁测量、计算和通讯设置中。下面以几个例子简要说明霍尔效应的应用。

1.测量半导体的特性

霍尔效应对于半导体材料来说起着至关重要的作用。假如说，与电流方向相反的方向为带负电的载流子，此时，有向下的洛仑磁力。由此可见，导体的上界面带正电，带负电的处于下界面。通过这个结论可以看出，上下界面一旦被测出符号以后，便可以确定载流子的符号了，然后就可以测出半导体是P型还是N型。

2.磁流体发电

科学发展是第一生产力。从20世纪50年代末开始进行磁流体发电技术的研究。霍尔效应的应用主要归功于等离子，电动势主要是依靠磁场中的等离子分离集聚形成的两个极板。这种方式打破了传统的发电形式，将燃烧的热能转化为机械能去使用，新型的发电方式映入眼帘，它的热能效率转化较之前有了大大的提高，而且满足了环境对环保的要求。

3.电磁无损探伤

探伤方面的应用也是霍尔效应的一项重大突破，主要是利用铁磁性材料有高磁导率这个特点的基础上发展的。我们可以通过对元件的磁场信号的检测来确认是否有缺陷的存在，就拿我们常用的钢丝绳来说，它经常被用于起重、运输等承载的设备中，但是在被应用于矿山等环境恶劣的情况下的时候，它的表面就易产生磨损，及时对钢丝绳探伤是非常重要的。无损探伤是迄今工业中较为安全可靠的一种检测方法，经常被用于各种材料和设备的诊断上。

4.霍尔传感器

以霍尔原理构成的各种磁敏传感器被简称为霍尔传感器，它的原理是利用电压与外加磁场的关系，两者的正比关系可以制造出很多种线性传感器，包括电学传感器和非电学传感器。比如说，测量磁场的方式有很多，就如控制电流的大小，不仅可以测出交、直流的磁感应强度，还可以测量出磁场的强度。另一方面，可以让磁场为定量，控制为一定的方向和大小，可以测量交流和直流的电压和电流。

利用这个原理，电学以外的非电学量也可以被测试出来，比如位移、振动就可以被精确的测量出来。由此可见，霍尔传感器对我们的日常生活有着至关重要的影响，在工业生产上也有着越来越广泛的应用。

总结

霍尔效应是一项很早的物理研究。随着高新技术的不断发展，在新的实验条件下，在霍尔效应的基础上发展了整数霍尔效应，再到分数霍尔效应，已经取得了不少的新的科研成果，对物理学的发展也起着不可忽视的作用，对于这一效应本身而言，也是一次质的飞跃。或许，以后会有新的磁电子学科目的产生，霍尔效应促进科技的进一步发展，带动我们的生活进一步完善都是有可能的，我们在不断努力中期盼新的科学成果。

参考文献

[1]魏作余，赵静.霍尔效应实验及其生活中的应用[J].品牌（下半月），2014（11）：159.

[2]戴国平.霍尔效应原理与应用分析[J].科协论坛（下半月），2013（11）：34-35.

[3]祝强，刘艳凤.霍尔效应的应用及其展望[J].黑龙江科技信息，2012（18）：53+146.

[4]王本菊.霍尔效应及其应用[J].中国校外教育，2011（12）：76+107.