谈霍尔效应及其运用

高中物理新教材在《磁场》中对霍尔效应进行了介绍，但过于简单，为方便同学们学习，现对霍尔效应及其运用进行简单介绍。

美国物理学家霍尔在1879年研究金属的导电机构时发现：当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应，这个电势差也被叫做霍尔电势差。这就好比是一条路，本来大家（载流子）是均匀地分布在路面上，往前移动，但是当有强风（磁场）时，大家（载流子）会被推到靠路的左边（或右边）行走，故路（导体）的两侧就会因人员的密度差（电荷堆积）而产生压力差（电势差），这就叫霍尔效应。其实质是带电粒子以一定的速度垂直进入外磁场，粒子由于受到在洛伦兹力的作用而发生了偏移。

为方便起见，现在假设有一个长方体金属导体，如下图所示：导体长度分别为a、b、c，磁场垂直平面ab，设磁感应强度为B。电流经过ac面（载流子是电子，电量为-e），电流强度I=nevS，（n为导体单位体积的电荷数，即电荷密度，S为导体ac面的截面积，大小为ac）。设霍尔电压为U，则导体沿霍尔电压方向的电场为E=U/a。则有：FE=FB，即：eE=evB，eU/a=evB，U/a=BI/（neac），

即：U=BI/（nec）。

注意：在此种情况下，导体上表面的电势比下表面的电势高。如果导体里的载流子是正电荷，则是下表面的电势比上表面的电势高（由高中物理左手定则即可以判定）。

根据霍尔效应做成的器件叫霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关等功能。

如流量计：导体的电流强度I=nevS，由于霍尔电压为U=BI/（nqc），对于特定导体，所加的磁感应强度B一定，nqc一定，即：I正比于v（v为自由电荷的定向移动速度），只要找到I与v的相关性，就能将各种管道内流体的流速v转变为数字电压的形式输出，随时掌握管道内流体的流速v的变化，进而随时掌握管道内流体的流量变化，这样，利用霍尔效应就使之具备传感的功能，设计出了流量计。流量计现已广泛运用于输油管道、燃气管道、自来水管道等的流量监控。

流体中的霍尔效应是研究“磁流体发电”的理论基础：高温的导电流体（常为等离子体）以垂直与磁场方向高速通过磁场，在洛伦兹力的作用下，正负粒子分离，粒子偏转打到极板上，粒子受的电场力变大，时就有了稳定的电压而可以对外供电，这就是磁流体发电。运用磁流体发电由于是把燃料的热能直接转化为电能，不经过机械能的转换，减少了能量损耗，因而效率较高，理论上可达到60％以上，且节约燃料20%左右，产生的环境污染少，所以，磁流体发电是一项很有前途的技术。磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有10%左右。而且通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行，一旦解决了材料问题，磁流体发电技术必然大有作为。

运用霍尔效应测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，也成为当前研究半导体材料的常用方法。

在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。之后，美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们因此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。

人类对霍尔效应的研究仍在深入，我们期望着霍耳效应的研究能有更令人惊异的进展，同时，我们也期望随着霍耳效应的深入研究，人类技术的进步，我们的生活会变得更美好。

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