霍尔效应及其物理基础1

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key Words (1)

引言 (1)

1.霍尔效应 (1)

1.1霍尔效应的定义 (1)

1.2霍尔效应的本质 (2)

2.霍尔效应的发现 (2)

2.1问题的提出 (2)

2.2初步的实验 (3)

2.3成功的实验 (3)

2.4进一步的研究 (4)

3.霍尔效应产生的物理原因 (4)

4.霍尔效应的应用 (6)

4.1测量磁场 (6)

4.2霍尔效应在其他方面的一些应用 (6)

结论 (7)

参考文献 (7)

霍尔效应及其物理基础

摘 要：本文介绍了霍尔效应的定义、本质，讲述了霍尔效应的发现过程，

以及它产生的物理原因，还简单介绍了利用霍尔效应测量磁场和其他方面的应

用。

关键词：霍尔；霍尔效应；磁场

Hall-effect and its physical basis

Abstract: This article describes the definition of Hall-effect, the essence of the

Hall -effect , and tells of the discovery process of Hall-effect, as well as the physical

reasons .in addition ,it has also Simply introduced measuring magnetic field by using

Hall-effect and other applications.

Key words: Hoare ；Hall effect ；Magnetic field

引 言

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。霍尔效应此后在测

量、自动化、计算机和信息技术等领域得到了广泛的应用，比如测量磁场

的高斯计。

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。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。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。流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础。

1.霍尔效应

1. 1霍尔效应的定义

将载流导体板（或半导体板）置于与垂直的磁场B 中，板内会出现与电流

方向垂直的电场，相应地，板的两侧之间出现一个横向电压U 。这个效应称为

霍尔效应。[1]

x

y

图1 在磁场中的霍尔元件

1.2霍尔效应的本质

固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为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斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

2.霍尔效应的发现

2.1问题的提出

霍尔在阅读麦克斯韦的《电磁学》一书中的有关部分时，注意到其中一段话：“必须小心地记住，作用在穿过磁力线的有电流流过的导体上的机械力，不是作用在电流上的，而是作用在流过电流的导体上的。”霍尔认为麦克斯韦这一论断与人们考虑这一情况时的直观推想是矛盾的。不带电流的导线所受的作用力与电流的大小成正比，而作用力的大小通常与金属丝的尺寸和材料是没有关系的。

恰巧不久他又读到了瑞典物理学家Erik Edlund 1878年发表在《哲学杂志（Phi. Mag .）》上的一篇论文“单极感应Unipolar Induction）”，在那里作者明确指出，磁场作用在一固定导体中的电流上，与它作用在自由移动的导体上是完全相同的。发现这两位物理学家的见解不同，请教了自己的导师罗兰教授。罗兰说他也曾怀疑过麦克斯韦论断的真实性，以前也为此仓促地做了一下实验，但没有成功。因为罗兰正忙于其他工作，没有打算立刻作出进一步的研究。

2.2初步的实验

霍尔和罗兰初步考虑：“如果在固定导体中的电流本身受到磁场的作用，电流会被吸引到导体的一侧，因此所产生的电阻应该增加。”[2]霍尔设想如果将在磁场中的导线时，有意识地加上磁场力后，能将电流拖向金属丝截面的狭窄部分，这样应当能看到电阻的增加，他选择的金属丝为大约0.51毫米粗的银丝。将好

几段较短的这种细丝从钢板上的三角孔中拔出，则其截面成为三角形，再将一段段短细丝焊接成约0.9米长的一整根。

最初，他发现加上磁场后测得的电阻有所增加，有一天，他突然想到这可能是由于电磁铁的磁极将热量传给螺旋金属丝，于是小心地排除了所有热效应的影响，原来观察到电阻值增加的情况就完全消除了。

霍尔认为，尽管该螺旋银丝的电阻在磁场的作用下没有发生改变，但还不足以说明磁场对电流没有影响；他设想磁场有可能有使电流产生朝者导线一侧偏转。沿着这样的思路，他想到应当测量导体两侧对应点之间的电势差。

接着，他重复了罗兰以前的实验，将一个金属圆盘放在电磁铁的两极之间，使电流沿圆盘的一条直径流过。用灵敏电流计的两输入端与圆盘的不同部分相连通，通过它监测电流的大小，在电磁铁未通电时找到两个几乎等电位的点，此时检流计几乎无电流流过，接通励磁电流后，重新观察检流计，以便检测出这两个输入端间电势的变化。这次实验仍然没有给出正面的结果。

2.3成功的实验

实验失败以后，霍尔作了认真的思考。他将自己的考虑向罗兰教授作了说明，罗兰建议他试一试自己以前做过的实验。霍尔根据罗兰的建议，用安装在玻璃板上的金箔窄条，按照上面的思路实验，在10月28日获得了磁作用的效果，检流计指针有明显的偏转，图2为霍尔亲手绘制的实验装置示意图[3]。

图2 霍尔亲手绘制的装置图

他后来用与上述金箔具有相同长度和宽度的铜片（厚度为0.25毫米）代替金箔，检流计就没有检测出由于磁场作用产生的电流。只有接通和断开励磁电路时会引起感应电流。应当说霍尔先用了很薄的金箔，还是很幸运的。

罗兰用经典理论解释了霍尔效应。他认为，在霍尔效应中，“（霍尔）电流绕着相对于磁力线固定的方向旋转，（其方向）一定程度上只依赖于磁力线，而不依赖欲电流。这一事实看来立刻指向了另一很重要的旋转情况，即光的偏振面的