霍尔效应(大学物理).ppt

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1、授课题目：授课题目：霍霍 尔尔 效效 应应知识点回顾知识点回顾带电粒子在电场和磁场中所受的力带电粒子在电场和磁场中所受的力EqFe1.电场力：电场力： 2.磁场力（洛仑兹力）磁场力（洛仑兹力）BqF vmxyzo+qvBmFB 方向：即以右手四指方向：即以右手四指 由经小于由经小于180的的角弯向角弯向 ，拇指的指向就是正电荷所受，拇指的指向就是正电荷所受洛仑洛仑兹力的方向兹力的方向。v3.运动电荷在电场和磁场中的受力运动电荷在电场和磁场中的受力 BqEqFv霍尔效应霍尔效应(演示演示1) 1879年，年仅年，年仅24岁的岁的美国美国物理学家物理学家霍尔霍尔研究载研究载流导体在磁场中受力的性流

2、导体在磁场中受力的性质时发现，在质时发现，在磁场磁场中载流中载流导体上出现导体上出现横向电势差横向电势差，这种现象叫做霍尔效应。这种现象叫做霍尔效应。 avldIBbemFE横向电场阻碍电子的偏转横向电场阻碍电子的偏转一、一、 实验结果实验结果dIBRUHab二、霍尔效应的微观机理二、霍尔效应的微观机理BqFm v洛伦兹力使电子偏转。洛伦兹力使电子偏转。0)(BeEev当达到动态平衡时：当达到动态平衡时：BEvElUabSnqIvxyznqdIBUabnqRH1霍耳系数：霍耳系数：dIBRUHab霍尔效应霍尔效应霍耳电压：霍耳电压：三、霍尔效应的应用三、霍尔效应的应用 1.通过测量霍耳系数可以

3、确定导电体中通过测量霍耳系数可以确定导电体中载流子浓度。载流子浓度。 载流子浓度载流子浓度n是半导体材料的一个重要是半导体材料的一个重要参数，其值远小于金属中的参数，其值远小于金属中的载流子浓度载流子浓度，qRnH1 所所以，半导体的以，半导体的RH比金属材料大得多。比金属材料大得多。 半导体材料的载流子浓度受温度、杂质半导体材料的载流子浓度受温度、杂质等因素影响大，因此，霍尔效应成为研究半等因素影响大，因此，霍尔效应成为研究半导体材料载流子浓度随杂质、温度等因素变导体材料载流子浓度随杂质、温度等因素变化提供了重要的测量方法。化提供了重要的测量方法。2. 区分半导体材料区分半导体材料霍耳系数正

4、负与载流子电荷性质有关。霍耳系数正负与载流子电荷性质有关。+abbauu 0HRIvq(1) n 型半导体型半导体BmFEBbauu ab+0HRI(2) p 型半导体型半导体vqmFE霍尔效应霍尔效应3. 霍尔效应测磁场霍尔效应测磁场dIBRUHabdIRUBHab 给定工作电流给定工作电流I，只需测出霍尔电压，只需测出霍尔电压，即可测出磁感应强度即可测出磁感应强度B。 物理实验室可提供实验：物理实验室可提供实验： (1)霍尔效应测螺线管轴向磁感应强度霍尔效应测螺线管轴向磁感应强度分布。分布。 (2) 载流子浓度、电导率及迁移率。载流子浓度、电导率及迁移率。*4.磁流体发电磁流体发电(演示演

5、示2) 使高温等离子体使高温等离子体(导电流体导电流体)以高速进入发电通道以高速进入发电通道(发电通发电通道前后两面有磁极道前后两面有磁极)，由于洛仑兹力作用，结果在发电通道，由于洛仑兹力作用，结果在发电通道上下两侧电极上产生电势差。不断提供高温高速的等离子体上下两侧电极上产生电势差。不断提供高温高速的等离子体，就能在电极上连续输出电能。，就能在电极上连续输出电能。 导电气体导电气体发电通道发电通道电极电极q q B磁流体发电原理图磁流体发电原理图霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、在分电器上作信号传感器、A

6、BS系统中的速系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。感器、各种开关，等等。 5. 霍尔效应在汽车工业上的应用霍尔效应在汽车工业上的应用 霍尔式点火脉冲发生器无磨损，免维霍尔式点火脉冲发生器无磨损，免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能。机的性能。 例如：汽车点火系统中，用

7、霍尔传感例如：汽车点火系统中，用霍尔传感器取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。器取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。触发叶轮转动，当叶轮齿对准永久磁铁和触发叶轮转动，当叶轮齿对准永久磁铁和霍尔基片时，磁力线被旁通，霍尔基片上霍尔基片时，磁力线被旁通，霍尔基片上的磁场消失，霍尔基片不产生感应电压；的磁场消失，霍尔基片不产生感应电压；当气隙对准永久磁铁和霍尔基片时，磁力当气隙对准永久磁铁和霍尔基片时，磁力线通过霍尔基片，霍尔基片产生感应电压。线通过霍尔基片，霍尔基片产生感应电压。 在在极低温极低温、强磁场强磁场下：下：BRH *量子霍耳效应：量子霍耳效应：, 3 , 2 , 1 nnRRKH，80

8、7.258122ehRK克里青克里青（Klitzing）常量常量RK 的测量准确到的测量准确到10 -10。1980年年克里青克里青发现，发现，B/Tn = 4n = 3n = 21.39K，25.52 A51015霍尔效应霍尔效应*分数量子霍耳效应：分数量子霍耳效应： 1982年崔琦和施特默（年崔琦和施特默（Strmer）发现在更强的磁场下（）发现在更强的磁场下（B 20 T），），n 可以是分可以是分数数，如，如1/2、1/3、1/4、1/5等，这称为等，这称为分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应。克里青因此克里青因此获得了获得了1985年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。劳克林、施特劳克林、施特默和崔琦获得了默和崔琦获得了1998年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。劳克林（劳克林（Laughlin）成）成功地给出了理论解释。功地给出了理论解释。该效应表明，该效应表明，有携带分数电荷的准粒子存在。有携带分数电荷的准粒子存在。1980年：自旋霍尔效应年：自旋霍尔效应 2008年：量子阱中的反常量子霍尔效应年：量子阱中的反常量子霍尔效应(物理所物理所) 谢谢大家！谢谢大家！