談霍爾效應及其運用

　　高中物理新教材在《磁場》中對霍爾效應進行了介紹，但過于簡單，為方便同學們學習，現(xiàn)對霍爾效應及其運用進行簡單介紹。
　　美國物理學家霍爾在1879年研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)：當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應，這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。這就好比是一條路，本來大家（載流子）是均勻地分布在路面上，往前移動，但是當有強風（磁場）時，大家（載流子）會被推到靠路的左邊（或右邊）行走，故路（導體）的兩側(cè)就會因人員的密度差（電荷堆積）而產(chǎn)生壓力差（電勢差），這就叫霍爾效應。其實質(zhì)是帶電粒子以一定的速度垂直進入外磁場，粒子由于受到在洛倫茲力的作用而發(fā)生了偏移。
　　為方便起見，現(xiàn)在假設有一個長方體金屬導體，如下圖所示：導體長度分別為a、b、c，磁場垂直平面ab，設磁感應強度為B。電流經(jīng)過ac面（載流子是電子，電量為-e），電流強度I=nevS，（n為導體單位體積的電荷數(shù)，即電荷密度，S為導體ac面的截面積，大小為ac）。設霍爾電壓為U，則導體沿霍爾電壓方向的電場為E=U/a。則有：FE=FB，即：eE=evB，eU/a=evB，U/a=BI/（neac），
　　即：U=BI/（nec）。
　　注意：在此種情況下，導體上表面的電勢比下表面的電勢高。如果導體里的載流子是正電荷，則是下表面的電勢比上表面的電勢高（由高中物理左手定則即可以判定）。
　　根據(jù)霍爾效應做成的器件叫霍爾器件，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關等功能。
　　如流量計：導體的電流強度I=nevS，由于霍爾電壓為U=BI/（nqc），對于特定導體，所加的磁感應強度B一定，nqc一定，即：I正比于v（v為自由電荷的定向移動速度），只要找到I與v的相關性，就能將各種管道內(nèi)流體的流速v轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，隨時掌握管道內(nèi)流體的流速v的變化，進而隨時掌握管道內(nèi)流體的流量變化，這樣，利用霍爾效應就使之具備傳感的功能，設計出了流量計。流量計現(xiàn)已廣泛運用于輸油管道、燃氣管道、自來水管道等的流量監(jiān)控。
　　流體中的霍爾效應是研究“磁流體發(fā)電”的理論基礎：高溫的導電流體（常為等離子體）以垂直與磁場方向高速通過磁場，在洛倫茲力的作用下，正負粒子分離，粒子偏轉(zhuǎn)打到極板上，粒子受的電場力變大，時就有了穩(wěn)定的電壓而可以對外供電，這就是磁流體發(fā)電。運用磁流體發(fā)電由于是把燃料的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過機械能的轉(zhuǎn)換，減少了能量損耗，因而效率較高，理論上可達到60％以上，且節(jié)約燃料20%左右，產(chǎn)生的環(huán)境污染少，所以，磁流體發(fā)電是一項很有前途的技術。磁流體發(fā)電機制造中的主要問題是發(fā)電通道效率低，目前只有10%左右。而且通道和電極的材料都要求耐高溫、耐堿腐蝕、耐化學燒蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發(fā)電機不能長時間運行，一旦解決了材料問題，磁流體發(fā)電技術必然大有作為。
　　運用霍爾效應測量磁場，判斷霍爾元件載流子類型，計算載流子的濃度和遷移速度，也成為當前研究半導體材料的常用方法。
　　在霍爾效應發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學家克利青等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應，這是當代凝聚態(tài)物理學令人驚異的進展之一，克利青因此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。之后，美籍華裔物理學家崔琦和美國物理學家勞克林、施特默在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應，這個發(fā)現(xiàn)使人們對量子現(xiàn)象的認識更進一步，他們因此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。
　　人類對霍爾效應的研究仍在深入，我們期望著霍耳效應的研究能有更令人驚異的進展，同時，我們也期望隨著霍耳效應的深入研究，人類技術的進步，我們的生活會變得更美好。