霍尔效应(大学物理).ppt

* **学院物理系——大学物理教研室 * 授课题目： 授 课 人： 霍 尔 效 应 张 三 丰 知识点回顾 带电粒子在电场和磁场中所受的力 1.电场力： 2.磁场力（洛仑兹力） + 方向：即以右手四指 由经小于180°的角弯向 ，拇指的指向就是正电荷所受洛仑兹力的方向。 3.运动电荷在电场和磁场中的受力 霍尔效应 (演示1) 1879年，年仅24岁的美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中受力的性质时发现，在磁场中载流导体上出现横向电势差，这种现象叫做霍尔效应。 a l d I b 横向电场阻碍电子的偏转 一、 实验结果 二、霍尔效应的微观机理 洛伦兹力使电子偏转。 当达到动态平衡时： 霍耳系数： 霍尔效应 霍耳电压： 三、霍尔效应的应用 1.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n是半导体材料的一个重要参数，其值远小于金属中的载流子浓度， 所以，半导体的RH比金属材料大得多。 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。 2. 区分半导体材料 霍耳系数正负与载流子电荷性质有关。 + + + + – – – – (1) n 型半导体 + + + + – – – – (2) p 型半导体 霍尔效应 3. 霍尔效应测磁场 给定工作电流I，只需测出霍尔电压，即可测出磁感应强度B。 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分布。 (2) 载流子浓度、电导率及迁移率。 *4.磁流体发电(演示2) 使高温等离子体(导电流体)以高速进入发电通道(发电通道前后两面有磁极)，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，就能在电极上连续输出电能。 导电气体 发电通道 电极 磁流体发电原理图 霍尔效应 霍尔效应 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、ABS系统中的速度传感器、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。 5. 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机的性能。 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。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，磁力线通过霍尔基片，霍尔基片产生感应电压。 在极低温、强磁场下： *量子霍耳效应： 克里青（Klitzing）常量 RK 的测量准确到10 -10。 1980年克里青发现， B/T n = 4 n = 3 n = 2 1.39K，25.52?A 5 10 15 霍尔效应 *分数量子霍耳效应： 1982年崔琦和施特默（St?rmer）发现在更强的磁场下（B 20 T），n 可以是分数，如1/2、1/3、1/4、1/5等，这称为分数量子霍耳效应。 克里青因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。 劳克林、施特默和崔琦获得了1998年诺贝尔物理学奖。 劳克林（Laughlin）成功地给出了理论解释。 该效应表明，有携带分数电荷的准粒子存在。 1980年：自旋霍尔效应 2008年：量子阱中的反常量子霍尔效应(物理所) * **学院物理系——大学物理教研室