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霍尔效应

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  • 发布时间:2013/9/23 16:46:07
  • 作者:银河电气

霍尔效应的发现

  霍尔效应在1879年被美国物理学家霍尔发现,当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,导体中会产生一个与电流方向及磁场方向均垂直的电势差。且电势差的大小与磁感应强度的垂直分量及电流的大小成正比。在半导体中,霍尔效应更加明显。

霍尔效应的原理

  霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场EH
  电流IS通过N型或P型霍尔元件,磁场B方向与电流IS方向垂直,且磁场方向由内向外,对于N型半导体及P型半导体,分别产生的方向如左图和右图的霍尔电场EH(据此,可以判断霍尔元件的属性——N型或P型)。

霍尔效应
  霍尔电势差EH阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力FE与洛仑兹力FB相等时,霍尔元件两侧电荷的积累就达到动态平衡。
  由于:

  FE=eEH,FB=evB,

  因此:

  eEH=eVB                   (1)
  设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n ,则:

  IS=nevbd                  (2)
  由(1)、(2)式可得:
  霍尔电势差UH=EHb=(1/ne)(ISB/d)=RH(ISB/d)
  RH=1/ne是材料的霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。
  对于固定霍尔元件,厚度d固定,记KH为霍尔元件的霍尔系数,可得:

  UH=KHISB                  (3)

  即:霍尔电势差UH与电流IS及磁感应强度B成正比。

霍尔效应的应用

  利用霍尔效应,可以制作开关传感器及线性传感器。开关型霍尔传感器广泛应用于位置、位移及转速测量,线性型霍尔传感器广泛应用于磁场及电流、电压的测量。

  近年来,以非工频、非正弦为主要特征的变频电量的测量需求越来越大,由于电磁式互感器的频率适用范围较窄,相比之下,霍尔电压、电流传感器的适用频带较宽,且可以用于直流测量,其市场前景广阔。

  然而,对于复杂电磁环境下的变频电量的精确测量,由于霍尔传感器对磁场较敏感,应用时需要特别注意。此外,由于霍尔电压、电流传感器主要用于以控制为目的的电压、电流的测量,厂家一般不提供对功率测量至关重要的角差指标,对于需要精确测量功率的场合,需谨慎使用。

  国家变频电量测量仪器计量站对部分常用型号的霍尔电压、电流传感器进行了抽检,50Hz时,其角差指标在20′~240′之间,相比于0.2级电磁式互感器的10′而言,角差指标较差,对于低功率因数的场合,对功率测量的准确度影响较大。

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