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時發現：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電勢差，這一現象便是霍爾效應，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）的兩側就會因人員的密度差（電荷堆積）而產生壓力差（電勢差），這就叫霍爾效應。其實質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生了偏移。
　　為方便起見，現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，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變為數字電壓的形式輸出，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，就能將各種管道內流體的流速v轉變為數字電壓的形式輸出，隨時掌握管道內流體的流速v的變化，進而隨時掌握管道內流體的流量變化，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。流量計現已廣泛運用于輸油管道、燃氣管道、自來水管道等的流量監控。
　　流體中的霍爾效應是研究“磁流體發電”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，粒子偏轉打到極板上，粒子受的電場力變大，時就有了穩定的電壓而可以對外供電，這就是磁流體發電。運用磁流體發電由于是把燃料的熱能直接轉化為電能，不經過機械能的轉換，減少了能量損耗，因而效率較高，理論上可達到60％以上，且節約燃料20%左右，產生的環境污染少，所以，磁流體發電是一項很有前途的技術。磁流體發電機制造中的主要問題是發電通道效率低，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，因而磁流體發電機不能長時間運行，一旦解決了材料問題，磁流體發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。
　　在霍爾效應發現約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現了量子霍耳效應，這是當代凝聚態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現了分數量子霍爾效應，這個發現使人們對量子現象的認識更進一步，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。