霍尔效应
霍尔效应机理
霍尔效应机理霍尔效应（Hall effect）是指在导体中通过电流时，垂直于电流方向和磁场方向的方向上会产生一种电压差的现象。
这一现象是由美国物理学家爱德华·霍尔（Edwin Hall）于1879年发现的，对电子学和磁学的研究起到了重要的推动作用。
霍尔效应的机理和应用广泛存在于电子器件、传感器和材料研究等领域。
霍尔效应的机理如下：当一个导体中通过电流时，由于洛伦兹力的作用，电子会在垂直于电流方向和磁场方向的方向上受到一个力，导致电子在这个方向上聚集。
这样就会形成一个电势差，即霍尔电压（Hall voltage），垂直于电流和磁场方向。
霍尔电压的大小与电流强度、磁场强度以及材料的特性相关。
霍尔效应在实际中有许多应用，包括：1. 霍尔传感器：霍尔传感器利用霍尔效应测量磁场强度。
它们广泛应用于磁场检测、位置检测、电流测量等领域。
例如，在汽车中用于测量转速、车速和方向盘位置。
2. 磁场测量：由于霍尔效应对磁场强度的敏感性，它可以用于测量磁场的大小和方向。
这在磁学实验、地磁测量和材料磁性研究中非常有用。
3. 材料性质研究：通过测量霍尔电压，可以获得材料的载流子类型、浓度和迁移率等信息，从而对材料的电导性和电子结构进行研究。
4. 磁性存储器：在硬盘驱动器等磁性存储设备中，霍尔传感器被用于读取磁头位置和方向，从而实现数据的定位和读取。
5. 磁流变液技术：磁流变液是一种特殊的流体，其粘度可以通过外加磁场的调节而改变。
霍尔效应可以用于测量磁流变液的粘度变化，从而控制和调节液体的流动性能。
综上所述，霍尔效应在电子学、传感器技术、材料研究和磁学等领域具有重要的应用价值。
通过利用霍尔效应的特性，可以实现对磁场强度、位置、磁性材料性质和流体流动性能的测量和控制。
霍尔效应
霍尔效应：是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。
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势差。
霍尔效应传感器：霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。
霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。
霍尔效应传感器的特点：1、霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。
副边电流忠实地反应原边电流的波形。
而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。
2、原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。
3、精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。
而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。
4、线性度好：优于0.1%5、动态性能好：响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs6、霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。
与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。
7、工作频带宽：在0-100kHz频率范围内精度为1%。
在0－5kHz频率范围内精度为0.5%。
8、测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。
9、过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。
10、模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。
11、模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/μs的高压变化时，模块有自身屏蔽作用X光机维修。
霍尔效应
霍尔效应1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时看，发现了一种电磁效应，即如果在电流的垂直方向加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上将建立一个电场。
这个效应后来被称为霍尔效应。
产生的电压(U H)，叫做霍尔电压。
好比一条路, 本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动。
当有磁场时, 大家可能会被推到靠路的右边行走，故路(导体) 的两侧, 就会产生电压差。
这个就叫“霍尔效应”。
根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能，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。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。
而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。
采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。
实验目的1. 了解霍尔效应实验原理2. 测量霍尔电流与霍尔电压之间和励磁电流与霍尔电压之间的关系3. 学会用霍尔元件测量磁场分布的基本方法4. 学会用“对称测量法”消除负效应的影响实验原理1. 霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。
当电流I沿X轴方向垂直于外磁场B(沿Z方向)通过导体时，在Y方向，即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V H，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
这个电势差也被叫做霍尔电压。
实验表明，在磁场不太强时，霍尔电压V H 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即IB K dIBR V H HH ==(1)。
其中RH 称为霍尔系数，KH 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/(mA.T)。
霍尔效应简介
霍尔效应简介
霍尔效应是指当电流通过垂直于电流方向的导体时，会在导体两侧
形成电势差。
这个现象是由瑞典物理学家爱德华·霍尔于1879年发现的。
霍尔效应的原理是：当电流通过导体时，自由电子也会随之移动。
如果在电流流动方向的垂直方向上施加一个磁场，磁场力会使电子在
该方向上受到一个向外的力。
这个力会使得电子在垂直方向上聚集，
导致导体两侧分别形成正负电荷的区域，从而形成电势差。
根据霍尔效应，可以制造霍尔传感器。
霍尔传感器能够测量磁场的
大小和方向，因此在许多应用中被广泛使用，例如磁力计、速度传感器、转速计等。
此外，霍尔效应还有一些其他应用，包括测量电流、
磁强计、电子元件的开关等。
总的来说，霍尔效应是一种电磁现象，利用电流通过导体时产生的
电势差可以实现磁场测量和其他应用。
霍尔效应解释
霍尔效应解释
霍尔效应是指在某些材料的导电过程中，当通过导体的电流与磁场垂直时，会在导体两侧产生电压差现象。
这种现象被称作霍尔效应，它是一种基于洛伦兹力和电子自旋的现象。
霍尔效应的解释可以从两个方面来理解。
首先，从经典电动力学的角度来看，当电流流过导体时，导体内部的电荷将受到磁场的作用而向一侧偏移。
这种偏移会导致在导体两侧产生电势差，也就是霍尔电势。
其次，从量子力学的角度来看，霍尔效应可以理解为电子自旋所导致的磁矩在磁场中受到作用力，从而沿着磁场方向分裂成两个能级。
当电流通过导体时，这两个能级的电子数量会发生变化，从而导致在导体两侧产生电势差。
总之，霍尔效应是一种基于磁场和电流交互作用的现象，它在磁学、半导体和电子学等领域都有广泛的应用。
- 1 -。
霍尔效应(Hall Effect)
8
外加一磁场沿正y轴
在动并A1受，正A2Z间方加向一磁电场位作差用使力电F洞B 以q漂v流速B 度沿正x方向运
因材料原呈电中性，故有相等之负电荷累积在材料下 方并产生负Z方向静电力Fe＝qE
稳定态时，FB=FE 即 qvB＝qE
E=vB
此时上下两侧之电压差即为霍尔电压
归零
使用按钮上方英文字
所提示功能时，须先 按住SHIFT键才可使 用。
选取单位
数值撷取
范围设定
11
实验仪器
探针置入位置
测
厚 压 克 力 垫
磁 场 测 试 板
探 针
试 板 放 置 处
片
待
磁
测
铁
半
架
导
体
材料12如 Nhomakorabea量测磁场
先将高斯计执行 归零程序。
依操作说明找出磁 鐵N、S极。
量测示意图
将实验器材架设好，
14
9
计算
J nev I I A ab
v B E VH b
n IB aeVH
n : 載子濃度 e : 電荷電量 v: 漂移速度 J : 電流密度 B : 外加磁場 VH : 霍爾電壓 a : 樣品厚度(y方向) b : 樣品高度(z方向) A : 電流通過之樣品截面積
10
实验仪器-----高斯计(量测磁场使用 )
多数载子为电洞，少数载子为电子。
三价杂质通常为硼(B) 、鋁(Al)、鎵(Ga)、 銦(In)。
6
N型半导体
在纯硅中加入五价元素杂質，使每个硅原子与五价 杂质结合成共价键时多一电子，即为N型半导体。
多数载子为电子，少数载子为电洞。 五价杂质通常为磷(P)、
名词解释霍尔效应
名词解释霍尔效应
霍尔效应(霍尔效应)是一种量子效应,涉及到电子在磁场中的运动。
当电子在磁场中受到一个电场的作用时,它们会受到洛伦兹力,从而改变它们的运动状态。
这种改变可以导致电子的霍尔系数(霍尔系数)发生变化,从而指示电子在磁场中的运动方向和速度。
霍尔效应最初被发现是在20世纪50年代。
当时,研究人员发现,如果将一个霍尔传感器放置在一个磁场中,它可以通过检测电子的霍尔系数来测量磁场强度。
这种技术被广泛应用于各种电子设备中,例如磁共振成像设备、硬盘驱动器和传感器等。
霍尔效应的应用范围非常广泛,但它也有一些限制。
例如,在强磁场中,霍尔传感器可能会受到损坏。
此外,霍尔系数也受到温度和湿度等因素的影响,因此需要对它们进行校准。
除了用于测量磁场外,霍尔效应还可以用于控制电流。
例如,可以使用霍尔传感器来检测电流的方向,从而控制电路中的电流。
霍尔效应技术还被应用于许多其他领域,例如量子计算、量子存储和量子通信等。
霍尔效应是一个非常重要的量子效应,它的应用将推动计算机科学和技术的发展。
随着技术的不断发展,霍尔效应的应用前景将越来越广阔。
霍尔效应
1-输入轴；2-转盘； 3-小磁铁；4-霍尔传感器
实验内容
实验任务
——利用霍尔效应测量螺线管内轴线上磁感应强度的分布.
完成这一实验任务，必须做以下工作：
仪器调节(将仪器调节到标准工作状态). 仪器标定(确定霍尔电压与磁感应强度的关系). 测量通电螺线管内轴线上磁感应强度的分布.
关键提示
Ｕ0＝Ｉx·R0
U0的方向只与Ix的方向有关。
霍尔效应中负效应的消除
埃廷斯豪森效应
能斯特效应 里吉-勒迪克效应 不等位效应
ＵE 方向与I和Ｂ方向有关。
ＵN方向只与Ｂ方向有关。 ＵRL的方向只与Ｂ的方向有关 U0的方向只与I的方向有关。
负效应的消除：改变I和B的方向，即对称测量法。
+B,+I, 测得电压U1=UH+UE+UN+URL+U0
109.45
109.85 110.10 110.40 110.40 110.20 110.25 110.15 109.80
3.59
3.60 3.61 3.62 3.62 3.61 3.61 3.61 3.60
实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定
(续表2)
X/cm
23.00 24.00 24.50 25.00 25.50 26.00 26.50 27.00 27.50 298年的诺贝尔物理学奖
实验原理
现象 —— 霍尔效应
在长方形导体薄板上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁 场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这 种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。
理论分析 磁场中运动载流子受洛伦兹力作用
UH
电荷聚集形成电场 电场力与洛伦兹力 达到平衡，形成稳 定电压UH
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b
磁感应强度 B为零时的情况 c
Байду номын сангаас
UH=0
Increase the applied magnetic field B, the Hall voltage UH increases. UH=KH IB i: primary current.
UH
Demo of Hall effect
d
a b c
UH
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹 力(Lorentz Force)的作用，向内侧偏移， 在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍 尔电势 (Hall electric potential)
霍尔效应
U H IB IB RH ned d
霍尔电势UH的大小与半导体材料、控制电流I、磁感应强度B以及霍尔元 件的几何尺寸等有关。可用下式表示
式中 I —— 控制电流；B —— 磁感应强度； n —— 半导体材料单位体积内的电子数； e —— 电子电量；d —— 霍尔片厚度； RH ——霍尔常数，RH=1/ne，它反映了材 料霍尔效应的强弱，其大小由材料所决定。 设 KH
线性型三端 霍尔集成电路
线性型霍尔特性 右图示出了具有 双端差动输出特性的 线性霍尔器件的输出 特性曲线。当磁场为 零时，它的输出电压 等于零；当感受的磁 场为正向（磁钢的S极 对准霍尔器件的正面） 时， 输出为正；磁场 反向时，输出为负。
请画出线性范围
开关型霍尔集成电路
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、 稳压电路、放大器、施密特触发器、 OC门（集电极开路输出门）等电路做 在同一个芯片上。当外加磁场强度超过 规定的工作点时，OC门由高阻态变为 导通状态，输出变为低电平；当外加磁 场强度低于释放点时，OC门重新变为 高阻态，输出高电平。较典型的开关型 霍尔器件如UGN3020等。
在右图中，当磁 铁随运动部件移动到距 霍尔接近开关几毫米时， 霍尔IC的输出由高电平 变为低电平，经驱动电 路使继电器吸合或释放， 控制运动部件停止移动 （否则将撞坏霍尔IC） 起到限位的作用。
霍尔式接近开关用于转 f 速测量演示 n= 60 4
(r/min)
软铁分流翼片
开关型霍尔IC
将被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔。 当有电流通过导线 时，在导线周围将 产生磁场，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压。
N S
磁铁 线性霍尔
f n 60 22
霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件
磁铁 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口 或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而 引起霍尔电势的变化。
当叶片槽口 转到霍尔IC面前 时，霍尔IC输出 跳变为高电平， 经反相变为低电 平，达林顿管截 止，切断点火线 圈的低压侧电流。 由于没有续流元 件，所以存储在 汽车电子点火电路及波形 点火线圈铁心中 a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形 的磁场能量在高 1—点火开关 2—达林顿晶体管功率开关 3—点火线圈低压侧 压侧感应出 4—点火线圈铁心 5—点火线圈高压侧 6—分火头 7—火花塞 30~50kV的高电压。
霍尔元件的主要外特性参数
最大激励电流IM :
由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件 的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大， 因此每种型号的元件均规定了相应的最大激 励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
开关型霍尔集成电路的 外形及内部电路
Vcc
霍尔 元件
施密特 触发电路
OC门
.
双端输入、 单端输出运放
Characteristic of On-off Hall IC (开关型霍尔
集成电路的史密特输出特性)
磁滞（回差） （hysteresis) 越大，抗振 动干扰能力 就越强。
当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉 时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多 少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相 当于多少高斯（Gs）？
波分析仪
铁心的 开合缝隙
被测电流 的谐波频谱
铁心的 杠杆压舌
霍尔式压力计
霍尔式压力传感器
由上述霍尔电势产生的原理可知，对于材料和结构已定的 霍尔元件，其霍尔电势仅与 B和I有关。若控制电流I一定，改 变磁感应强度B，则会使得霍尔电势UH变化，霍尔式压力传感 器正是采用了这样一种检测方式。 如右图所示，分别为以弹簧管作 为弹性元件测量压力的压力表结构， 被测压力由使弹性元件产生形变，采 用各自的机械连接方式，使霍尔片发 生位移。在霍尔片的上、下垂直安装 两对磁极，使霍尔片处于两对磁极形 成的非均匀磁场中。霍尔片的四个端 面引出四根导线，其中与磁钢相平行的两根导线和恒流稳压电 源相连，另外两根导线用来输出霍尔电势信号。
RH d
，则得到
U H K H IB
KH称为霍尔元件的灵敏度，它表示了单位电流和单位磁场作用下，开 路时霍尔电势的大小。它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数 就越大。但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。
霍尔元件的基本特性
(1)额定控制电流 当霍尔器件的控制电流使器件本身在空气中产生10℃温升时，对应的控 制电流值称为额定控制电流。以器件允许的最大温升为限制，所对应的控制 电流值称为最大允许控制电流。因霍尔电势随控制电流的增加而线性增加， 所以实际应用中总希望选用尽可能大的控制电流，因而需要知道器件的最大 允许控制电流。 (2)输入电阻 指在没有外磁场和室温变化的条件下，电流输入端的电阻值。霍尔器件 工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，即输入电阻。 (3)输出电阻 霍尔电极之间的电阻，称输出电阻。输出电阻在无外接负载时测得。 (4)乘积灵敏度SH 在单位控制电流 Ic和单位磁感应强度 B的作用下，霍尔器件输出端开路 时测得的霍尔电压SH称为乘积灵敏度，其单位为v/(A· T)。乘积灵敏度还可以 表示为SH=RH／d=ρu/d 。由此看出，半导体材料的电子迁移率 u越大，或半 导体晶片厚度越薄，则乘积灵敏度SH越大。
霍尔特斯拉计（高斯计）
霍尔元件
霍尔高斯计（特斯拉计）的使用
霍尔元件
磁铁
霍尔传感器用于测量磁场强度
测量铁心 气隙的B值
霍尔元件
霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可 选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器 件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的 磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件 输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可 以确定被测物的转速。
III Application of Hall effect sensor (霍尔传感器的应用)
霍尔电势是关于I、B、 三 个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量 不变，将第三个量作为变量，或 者固定其中一个量，其余两个量 都作为变量。这使得霍尔传感器 有许多用途。
70.9A
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
霍尔钳形电流表的使用 被测电流的导线从此处穿入 钳形表的环形铁心 手指按下此处，将钳形表的 铁心张开 将被测电流导线逐根夹 到钳形表的环形铁心中
霍尔钳形电流表的使用（续） 叉形钳形表 漏磁稍大， 但使用方便
用钳形表测量 电动机的相电流
霍尔式电流谐
霍尔电流传感器
所实现的多媒体界面：
霍尔电流传感器演示
铁心
线性霍尔IC
EH=KH IB
其他霍尔 电
流传感器
其他霍尔电流传
感器（续）
霍尔钳形电流表（交直流两用） 豁口
压舌
霍尔钳形电流表演示 被测电流的 70.9A 导线未放入 铁心时示值 为零
直流200A量程
霍尔钳形 霍尔钳形 电 霍尔钳形 流表演示 电流表演示 电流表演示
霍尔效应
霍尔传感器的传感元件使用硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷 化铟（InAs）等半导体材料制造。这类材料制造的半导体薄片，在磁场和电 流的共同作用下会产生“霍尔效应”。 一个半导体薄片，若使控制电流I通过它的 两个相对侧面，在与电流垂直的另外两个相对 侧面施加磁感应强度为 B 的磁场，那么在半导 体薄片与电流和磁场均垂直的另外两个侧面上 将产生电势信号UH 。这一现象称为霍尔效应， 产生的电势称为霍尔电势，其大小与控制电流I 与磁感应强度B的乘积成正比。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图所 示。假设在N型半导体薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的恒定磁场， 在半导体薄片相对两侧加一控制电流I时，半导体材料中的电子运动由于受 到洛伦兹力的作用，而使电子运动的轨道发生偏移，沿图中虚线所示的轨迹 运动，一个端面有电子积累显负极型，另一个端面因失去电子而显正极性， 因此在与磁场B和电流I均垂直的两个端面上出现电位差。
霍尔元件的主要外特性参数
最大磁感应强度 BM
线性区
上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 高斯至正的多少高斯？（1T=10000G）
II. Hall effect IC (霍尔集成电路)
霍尔集成电路可分为线性型(linear)和开关 型(on-off)两大类。
线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如UGN3501等。
桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图
a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集 成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）