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霍爾效應(yīng)

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  • 發(fā)布時間:2013/9/23 16:46:07
  • 作者:AnyWay中國

霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

  霍爾效應(yīng)在1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn),當電流通過一個位于磁場中的導(dǎo)體的時候,導(dǎo)體中會產(chǎn)生一個與電流方向及磁場方向均垂直的電勢差。且電勢差的大小與磁感應(yīng)強度的垂直分量及電流的大小成正比。在半導(dǎo)體中,霍爾效應(yīng)更加明顯。

霍爾效應(yīng)的原理

  霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子(電子或空穴)被約束在固體材料中,這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積,從而形成附加的橫向電場,即霍爾電場EH。
  電流IS通過N型或P型霍爾元件,磁場B方向與電流IS方向垂直,且磁場方向由內(nèi)向外,對于N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體,分別產(chǎn)生的方向如左圖和右圖的霍爾電場EH(據(jù)此,可以判斷霍爾元件的屬性——N型或P型)。

霍爾效應(yīng)
  霍爾電勢差EH阻止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移,當載流子所受的橫向電場力FE與洛侖茲力FB相等時,霍爾元件兩側(cè)電荷的積累就達到動態(tài)平衡。
  由于:

  FE=eEH,F(xiàn)B=evB,

  因此:

  eEH=eVB                   (1)
  設(shè)試樣的寬為b,厚度為d,載流子濃度為n ,則:

  IS=nevbd                 ?。?)
  由(1)、(2)式可得:
  霍爾電勢差UH=EHb=(1/ne)(ISB/d)=RH(ISB/d)
  RH=1/ne是材料的霍爾系數(shù),它是反映材料霍爾效應(yīng)強弱的重要參數(shù)。
  對于固定霍爾元件,厚度d固定,記KH為霍爾元件的霍爾系數(shù),可得:

  UH=KHISB                 ?。?)

  即:霍爾電勢差UH與電流IS及磁感應(yīng)強度B成正比。

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用

  利用霍爾效應(yīng),可以制作開關(guān)傳感器及線性傳感器。開關(guān)型霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于位置、位移及轉(zhuǎn)速測量,線性型霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于磁場及電流、電壓的測量。

  近年來,以非工頻、非正弦為主要特征的變頻電量的測量需求越來越大,由于電磁式互感器的頻率適用范圍較窄,相比之下,霍爾電壓、電流傳感器的適用頻帶較寬,且可以用于直流測量,其市場前景廣闊。

  然而,對于復(fù)雜電磁環(huán)境下的變頻電量的精確測量,由于霍爾傳感器對磁場較敏感,應(yīng)用時需要特別注意。此外,由于霍爾電壓、電流傳感器主要用于以控制為目的的電壓、電流的測量,廠家一般不提供對功率測量至關(guān)重要的角差指標,對于需要精確測量功率的場合,需謹慎使用。

  國家變頻電量測量儀器計量站對部分常用型號的霍爾電壓、電流傳感器進行了抽檢,50Hz時,其角差指標在20′~240′之間,相比于0.2級電磁式互感器的10′而言,角差指標較差,對于低功率因數(shù)的場合,對功率測量的準確度影響較大。

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