霍尔效应及应用

霍尔效应及应用（精选8篇）

霍尔效应及应用 第1篇

1 经典霍尔效应的原理及应用

产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子, 在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。在磁场不太强时, 电位差V H与电流强度I和磁感应强度B成正比, 与板的厚度d成反比, 即

式 (1) 中RH称为霍尔系数, 式 (2) 中KH称为霍尔元件的灵敏度。

当电流方向一定时, 薄片中载流子的符号决定了样品两点横向电势差的符号。因此, 通过电势差的测定, 可以判断薄片中的载流子究竟是带正电荷还是带负电荷。实验证实:大多数金属导体中的载流子带负电荷 (即电子) ;半导体中的载流子有两种, 带正电荷 (即空穴) 的称为P型半导体, 带负电荷 (即电子) 的称为N型半导体[1]。

此外, 利用霍尔效应还可以制成测定磁感应强度B值的仪器高斯计。

2 整数量子霍尔效应

德国物理学家冯克利青等在二维体系的霍尔效应实验中, 多次研究在处于极低温度1.5K和强磁场18T的作用下, 发现了一个与经典霍尔效应完全不同的现象:霍尔电阻R H随磁场的变化出现了一系列量子化电阻平台, 这些平台电阻 这种现象称为整数量子霍尔效应。从图1[2]可以清楚地看到这些霍尔电阻平台。

3 分数量子霍尔效应

崔琦、施特默和劳克林在比整数量子霍尔效应更低的温度0.1K和更强的磁场20T条件下, 对具有高迁移率的更纯净的二维电子气系统样品的测量中, 也在一些电阻和温度范围内观测到横向霍尔电阻呈现平台而同时纵向电阻减小到零的现象, 但不同的是, 这些平台对应的不是整数值, 而是分数值, 称为分数量子霍尔效应 (如图2) [2]。

分数量子霍尔效应的发现和研究, 充分表现了当代磁学和物理学研究的主要特点:一方面是在实验上多方面采用高新技术和新的条件, 如高纯样品材料和超强磁场及超低温度的极端物理条件;另一方面是实验和理论研究的紧密配合, 使实验中观测到的新现象和新效应不仅及时得到深入和正确的认识, 又为进一步的研究提供了基础和条件。

4 量子霍尔效应的应用

量子霍尔效应不但具有重要的物理意义, 而且还因其独有的特点取得许多重要的应用。

首先, 在量子霍尔效应的霍尔电阻BH-B关系曲线中的电阻平台, 通过大量的实验和严格的理论研究都已证明是与h/ie2成比例的, 而与材料性质、制造和器件结构等因素无关, 但普朗克常数h和电子电荷e都是基本物理常数, 因此可以采用量子霍尔电阻的普遍性和很高的测量精确性及复现性的特点, 将其作为电阻单位欧姆的自然基准。

其次, 量子霍尔效应的另一个重要应用是高精度地测定了精细结构常数α。它是用来量度电磁相互作用强度的。

5 自旋霍尔效应

在经典霍尔效应中, 在外加磁场条件下给导体中通电流, 则载流子在垂直于磁场和电场的第三个方向上将会产生一个横向的运动, 这个横向运动就产生平常的霍尔电流。然而由于载流子同时具有电荷和自旋属性, 因此载流子的运动也必将伴随着自旋的运动, 这样, 即使没有外磁场也能产生一个与外加电场垂直 (横向) 的自旋向上的电子流和相反方向上的一个自旋向下的电子流, 二者合成为一个自旋磁矩的流动, 而并没有净的电荷流动。这样, 在外加电场下, 材料中的自旋向上的电子和自旋向下的电子由于各自形成的磁场方向相反, 会各自向相反的两边堆积, 这种自旋的横向运动现象就是SHE (自旋霍尔效应) [2]。

6 自旋霍尔效应的实验观察

电子的自旋都形成很小的磁矩, 因而SHE的测量, 主要是对微小的磁矩的检测。04年加州大学圣塔芭芭拉分校 (U C S B) 的D a v i d Awschalom和他的同事分别对砷化镓 (Ga As) 和砷化铟 (In Ga As) 芯片进行测量。为了要测出自旋霍尔效应 (即自旋累积) , 他们首先将线性偏振的激光束聚焦在半导体芯片上, 然后以激光束扫瞄整个芯片, 并且测量从每个位置所反射的激光束的偏振方向。由自旋累积的区域反射的激光束, 其偏振方向会发生偏转, 此即所谓的“克尔旋转”[3]。实验结果显示, 在有施加电场的情况下, 样品两侧确实累积了极化方向相反的自旋。

6 自旋霍尔效应的最新进展量子自旋霍尔效应

自旋霍尔效应是一个新型的霍尔效应, 是目前凝聚态领域中一个相当热门的研究方向, 由于相对论效应自旋轨道耦合作用的存在, 人们在理论上和实验上都发现在不外加磁场条件下即使是在非磁性材料中, 也可观测到内秉自旋霍尔现象, 利用这种效应可产生自旋流, 这种自旋流在自旋电子学领域将有着广泛的应用。因此研究自旋霍尔效应不仅促进量子理论的发展 (事实上关于内秉自旋霍尔机制的量子理论仍在发展之中) ;同时也必将推动新的技术进步, 比如可利用它的原理设计新型自旋电子学器件。

最近一些年, 理论家预言, 拥有正常电子结构的材料可以与电场发生作用并最终出现量子自旋霍尔效应, 也就是说, 我们可以获得一种旋转驱动版且几乎没有能量损失的导电性。值得一提的是, 这种材料无需满足强磁场和低温这两个条件。

2007年, “碲化汞三明治”在温度低于10开的条件下“表演”了量子自旋霍尔效应。如果研究人员能够在室温下上演同样的一幕, 制造新型低功耗“自旋电子”计算设备将成为一种可能。

参考文献

[1]杨述武.普通物理实验[M].北京:高等教育出版社, 2000:191.

[2]杨锡震, 杨道生, 田强.异常霍尔效应和自旋霍尔效应[J].物理实验, 2005, 25 (10) .

《霍尔效应》教案 第2篇

一、教学目标

【知识与技能】

知道霍尔效应的原理，了解霍尔效应在生活中的应用。

【过程与方法】

通过观察实物，思考交流，分析霍尔效应的原理，了解物理学科在生活中的应用。

【情感态度与价值观】

增加对物理学科的学习兴趣，体会物理学在生活中无处不在的特点，养成科学思考的学习习惯和态度。

二、教学重难点

【重点】

霍尔效应的产生过程。

【难点】

霍尔效应的应用。

三、教学方法

观察法、讨论法、问答法、多媒体展示等。

四、教学过程

环节一：新课导入

展示霍尔元件的实物，并介绍他的作用：能够精确测量出磁场的变化，在很多领域中都发挥着很大的作用，例如电机中测定转子转速，录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等。

教师提问：这个元件是怎样工作的呢?今天我们就一起来做个课题研究——霍尔效应。

环节二：新课探究

展示多媒体：动画模拟产生霍尔效应的过程，请学生找到条件并进行总结。

回答：有一个矩形导体，并且有电流，加载与电流方向垂直的磁场，发现矩形导体上会出现电势差。

补充回答：电势差的方向是上下的，说明与电流和磁场构成的面垂直。

点评总结，归纳出霍尔效应的原理。

教师展示一些霍尔元件的例子说明探测磁场大小的作用。

问题：为什么霍尔元件能探测磁感应强度大小呢?

回答：应该是产生的电势差发生变化，也就是说霍尔效应中，磁感应强度变化，能导致电势差的变化。

问题：很对，电势差大小还与什么有关呢?结合教材互相交流一下。

回答：还应该与电流大小、矩形导体厚度有关系。

环节三：应用提升

向学生介绍霍尔传感器的原理和作用：霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

谈霍尔效应及其运用 第3篇

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=nevSac， (n为导体单位体积的电荷数，即电荷密度，Sac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EH=U/a。则有：FE=FB，即：eEH=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=nevSac，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，当FE=FB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。

氮化铁薄膜中反常霍尔效应的研究 第4篇

早在1881年,霍尔(Hall)首次发现了铁磁性材料中的反常霍尔效应。反常霍尔电阻率定义为:

式中:H是外加磁场,M是自发磁化强度,R0为常规霍尔系数,Rs为反常霍尔系数,等式右边的第一项描述了常规霍尔效应,第二项描述了反常霍尔效应。常规霍尔效应可以由磁场作用于运动电荷的洛伦兹力来解释,而反常霍尔效应是一种基于自旋-轨道耦合的输运现象。目前认为有3种机制可以解释反常霍 尔效应,其中两种 涉及外在 机制,即斜散射 (Skew scattering)理论和边跳机制(Side jump)[1,2],反常霍尔电阻率ρxy(霍尔电导率σxy)与纵向电阻率ρxx(电导率σxx) 的标度律关系分别是:

另一种是内秉机制[3],即动量空间中的布洛赫态的贝瑞曲率 (Berry curvature)决定了霍尔电导率,仅和材料的能带结构相关,其标度律关系同样遵循式(3)。

最近的实验和理论表明在高电阻区域的标度律关系还存在不一致的观点。S.Onoda在最近的报道中提出基于少量掺杂的多能带铁磁性金属的统一理论[4],并指出反常霍尔效应可以根据电导率分为3个区域且满足不同的标度律关系,认为在高电阻区域(σxx<104S/cm)σxy∝σnxx,n=1.6,并为实验所验证[5]。近来,Y.M.Lu等[6]提出在超薄多晶FePt薄膜中观察到在二维弱和强定位区域高阻态反常霍尔效应的标度指数为σxy∝σ2xx,认为电子弱局域化对标度指数起着重要作用。因此本工作选用氮化铁薄膜系统研究其反常霍尔效应,氮化铁薄膜可通过调节氮含量来改变薄膜的电阻, 易于得到不同阻态的纵向电阻与反常霍尔电阻并对其标度律进行研究。

1实验

本实验采用射频磁控溅射系统在玻璃基片上沉积Fe-N系化合物薄膜,Fe靶的纯度为99.99%。溅射前,基片经超声清洗,真空室基础压强为0.8×10-6Pa。溅射过程中,以纯氩气作为溅射气体,纯氮气作为反应气体,氩气与氮气混合气体中的流量比从20∶1到20∶4,溅射压强为2Pa,溅射功率为100 W,在不同氮含量条件下制备了4个样品。通过X射线衍射仪测量薄膜的X射线衍射谱(XRD);磁性测量采用超导电子干涉仪(SQUID);薄膜厚度测量采用台阶仪;电阻和霍尔电阻采用物理性质测量系统(PPMS)。在-4~4T磁场下进行霍尔电阻测量,温度变化范围为5~300K。

2结果分析

2.1Fe-N薄膜的XRD分析

实验制备的4个薄膜样品厚度均为300nm。不同氮流量时制备出的氮化铁薄膜的XRD衍射谱如图1所示,1#、 2#、3#、4#分别对应样品1、2、3、4的XRD图,且氮含量依次增加。通过与标准的衍射图谱进行对比可分析薄膜的组分,随着氮含量的增加,薄膜结构发生了显著的变化。样品1薄膜中出现了α-Fe(110)和γ-Fe4N(200)2个衍射峰,表明此时样品为α-Fe和 γ-Fe4N 2个物相。样品2薄膜中除了 γFe4N(200)衍射峰外,还得到了 γ-Fe4N(111)、γ-Fe4N(220)、 γ-Fe4N(311)和ε-Fe3N(101)衍射峰,所以此时沉积得到的样品为ε-Fe3N和γ-Fe4N 2个物相。样品3薄膜的相与样品2相同,但ε-Fe3N(101)和γ-Fe4N(200)的强度增大。样品4薄膜中出现了ε-Fe3N(100)、ε-Fe3N(101)、ε-Fe3N(110)3个衍射峰,此时沉积得到的样品为ε-Fe3N单相。这表明随着氮含量的增加,薄膜的结构和组分均发生了变化。

2.2电子输运特性

归一化电阻Rxx(T)/Rxx(300K)与温度的关系如图2所示(插图是样品1归一化电阻与温度ln(T)的关系)。随着氮含量的增加,样品电阻率(ρxx)从305μΩ·cm增加到6041 μΩ·cm,表明氮含量对电阻率有较大的影响,可作为一个可控参数改变样品的电阻率。样品1、2在5~300K整个温度范围内,其导电机制为金属特性(dRxx/dT>0)。随着氮含量的增加,在样品3、4中Rxx表现出了半导体特性(dRxx/dT< 0)。图2的插图表明样品1电阻在低温区出现了最小值,对数拟合表明在低温区电阻与温度的关系为Rxx(T)∝ln(T), 这与电子弱局域化效应有关[7,8,9],反映了薄膜结构的无序度较高。

在金属-绝缘体转变区域,影响电阻与温度关系有多个因素,电子-声子、电子-磁振子散射和边跳机制都可能存在,因此机制较为复杂。其电阻温度的关系可以表述为:

式中:ρ0是剩余电阻,而ρbc、ρph、ρm、ρh分别是界面散射、声子散射、磁子散射和跳跃电阻的贡献。在经典的电阻理论中, ρph定义为:

在高温时n=1,在低温时n=5。对于铁磁性金属,电子-磁振子通常导致电阻对温度的依赖关系是T2。在基于边跳机制的理论计算中指出在颗粒膜系统中的电阻-温度关系是:

由于基于边界散射的电阻对温度的依赖关系很弱,在样品中较弱的电阻-温度依赖关系可能表明其中基于边界散射的电阻占据比较大的比重。这些结果与已有研究观察到的结果一致[7,10,11]。

2.3反常霍尔效应

本工作进一步分析了薄膜样品在不同温度下外加磁场H和反常霍尔电阻Rxy的关系,如图3所示,其中磁场方向垂直于薄膜平面。样品霍尔电阻率随氮含量的增加而增大,室温(300K)下样品1、2、3、4的霍尔电阻率分别是0.65μΩ· cm、2.34μΩ·cm、4.06μΩ·cm、5.49μΩ·cm,与样品的电阻-温度关系相同,样品1、2的反常霍尔电阻随温度的上升而上升,样品3、4的反常霍尔电阻随温度的上升而下降。在此基础上利用标度关系(式(7))对反常霍尔电阻率ρxy(反常霍尔电导率σxy)与纵向电阻率ρxx(纵向电导率σxx)的关系进行了分析与研究。

图4为反常霍尔电阻率ρxy与纵向电阻率ρxx的关系图, 由于样品1、2的电阻率相差不 大,可在同一 个图中进 行拟合。从图4中可知对于电阻是金属态的样品,ρxy随着ρxx的增加而增加,两者为线性关系,即ρxy∝ρxx。样品3、4的拟合结果同样为线性关系。

标度律也可由反常霍尔电导率和纵向电导率的关系给出,利用式(8)和式(9)计算得到反常霍尔电导率σxy和纵向电导率σxx。

图5为样品的反常霍尔电导率σxy和纵向电导率σxx关系图,对比图4可知σxy-σxx关系相比ρxy-ρxx关系有所变化。所有样品ρxy与ρxx的关系均为线性,从图5看出,样品1、4的 σxy与σxx的关系为线性,与ρxy-ρxx关系一致,即:

而样品2、3中电导率之间的关系为σxy~const,与ρxy-ρxx关系不一致。结合样品的电阻与温度的关系,可知这是由2个样品的电阻率随温度的升高变化幅度过小引起的。由于样品的电阻值是位于高阻态区域(Dirty regime),因此在该样品中的标度律与之前的报道[4]n=1.6并不一致。普遍的理论认为,如果满足ρxy∝ρxx(σxy∝σxx),则反常霍尔效应的机制遵循斜散射机制,由此可推断,在当前样品中霍尔效应的机制应是斜散射。氮含量的变化引起的薄膜中无序度(弱局域化)与反常霍尔效应的关系则有待进一步分析。

3结论

霍尔效应传感器教学实验装置设计 第5篇

1 实验装置的目标要求

霍尔传感器的种类和技术应用方式日益增加, 在其应用研究与实验教学中, 需要具备能产生多种特定的磁场模式的设备装置, 来全面反映、考察、测试、研究其特性参数, 以满足科研、教学需求。

本装置利用电子电路技术来设计一套灵活的磁场发生器, 开发一种简单实用、操作灵活的, 磁场形态模式种类具有相当大的自由设定度的实验研究装置, 以利于更全面的对霍尔传感器应用进行实验教学和研究。

2 实验装置系统构成

本装置系统由电流放大器放大、电流到磁场转换的线圈、滑动可调标尺测距机构、用于实验研究、可更换的被测器件等几个单元组成。可用于线性及开关型霍尔传感器工程应用的实验教学和应用电路研究与检测验证。对霍尔传感器检测到的信号可以用三用表和示波器同时观察。本系统利用标准计量磁场强度计定标后可以实现准确的量化测试实验研究, 也是学生开展工程应用电路设计性实验课题的高效工具。

实验研究系统的构成如图1所示。

(1) 磁场电流放大器采用线性电子电路设计, 用于信号电流功率放大, 该放大器可允许函数发生器作为信号源直接输入并对之电流放大, 以作为磁场发生电流。电流放大倍数可以无级调变, 改变磁场强弱, 做到固定距离时观测被测霍尔器件的霍尔信号在磁场变化情况下的相应特性。

(2) 电流-磁场转换线圈为一个直筒多圈线圈, 骨架内装软磁体棒状磁芯引导约束磁力线。

(3) 标尺机构为一机械装置, 具有标准长度刻度, 用于标示磁芯端头与被测霍尔传感器的距离。实验与测试时可以滑动霍尔传感器安装座, 改变被测霍尔传感器与磁棒端头的间距 (最大行程100mm) , 实现通过距离控制磁场强弱的变化, 以便研究观测霍尔信号相应变化的特性。该刻度可随时方便的反映出磁芯调动时磁芯端头与被测霍尔传感器的距离。

(4) 为方便实验、研究、测试的对象霍尔传感器, 滑块加上设置一个通用插座, 可以适配多种规格霍尔传感器, 并为之提供相应的偏置电压、电流, 使之能够处于合适的工作状态。

(5) 系统采用±18V直流供电, 方便实验室电源供电。配合函数发生器和示波器可以做到对霍尔传感器深入、细致、形象化的实验研究。

3 电路设计

3.1 电流放大器

在本实验系统设计中, 电气设计的重点工作是电流放大器的设计。由于系统采用了以外部函数信号发生器作为磁场激励源的方案, 电路设计可以实现最大限度的简化, 对放大器的设计要求主要有线性度、带宽、输出功率等方面要求, 主要设计指标如下:

●连续输出峰值功率:≥20W (8Ω纯电阻负载测定) ;

●总谐波失真度:0.2%; (正弦波)

●带宽 (3d B) :≥20k Hz;

●电压增益:≥30d B;

●输出功率可调范围:0~20W。

(1) 电路原理

电路按线性功率放大器进行设计, 为简化设计, 以集成化线性功率放大芯片TDA7294为核心进行设计, 该芯片具有功率大、线性好、频响宽、集成度高的特点, 可以满足系统要求。芯片TDA7294的主要典型参数指标如下:、

●适应电压范围:±10V~±40V;

●最大输出功:70W (4~8Ω) ;

●功率带宽 (3d B) :20k Hz;

●总谐波失真:1%;

●电压增益:30d B。

分析以上参数, 芯片指标满足本系统应用要求, 实际设计电路入图2所示:

(2) 电路实测

对图2电路制作样机进行实测, 指标如表1所示。

3.2 电感器设计

(1) 系统中电感器的作用

电感器在系统中起到电流到磁场的转换作用。不同的电流波形, 利用该电感器相应的可以转换为不同模式的磁场形态, 以达到对霍尔传感器在不同形态磁场作用下的弹性研究和实验教学目的。

结合考虑放大器的输出功率, 产生的磁场强度范围能够满足尽量多的霍尔传感器的实验要求, 电感器电感量取值10m H。

(2) 电感器参数计算

本装置电感器是专门绕制的绕线磁芯电感器, 在电感量取定后, 主要是确定磁芯和线圈匝数。

磁芯采用High Flux粉芯圆棒, 磁导率160, 直径10mm, 长度80mm;

线圈绕制在一个50mm长, 外直径为12mm的圆筒骨架上。

电感量、磁芯、线圈匝数之间关系如公式 (1) 所示。

式 (1) 中:L是电感量, 单位为亨利;μ0真空磁导率数值为4π10 (-7) ;μs线圈内磁芯相对磁导率, 此处为μs=160;n线圈匝数;s线圈截面积, 单位为m2。此处为0.000154 (m2) ;l是线圈长度, 单位为m, 此处为0.05 (m2) ;k系数为线圈的半径与长度l的比值。此处为0.14;求取电感器匝数n, 对式 (1) 变形得到式 (2) 。

在给定条件下依据式 (2) , 得到电感器匝数n取整为115 (匝) 。

(3) 实际电路中电感器的制作

本系统电路对电感器电感量的取值为m H, 注意批量制作时要保证工艺一致性良好。

线圈在空心圆直筒骨架上多层紧密排绕, 骨架外径12mm, 内径10.5mm, 绕线长度50mm;采用高强聚酯漆包线, 线径0.62mm;直接留出适当长度绕线做电感器引脚;

线圈绕线完成后, 用黄蜡绸紧绕两层以固定线圈, 在65℃恒温箱烘烤2小时, 然后整体浸绝缘清漆5分钟, 取出烘干, 插入磁棒即可。

4 实验装置功能特点

(1) 函数信号通过电流放大器对功率放大, 形成足够的磁场驱动电流, 利用线圈进行电流到磁场的变换, 从而获得对应于各种信号波形的磁场模式。利用标准磁场计定标校准后, 实现对霍尔传感器进行各种形态磁场下的探测实验和研究。

(2) 磁场形态的变化和调校只是对函数发生器的操作即可, 非常简便, 基本无需专门设计复杂繁琐的硬件电路来实现对磁场的调校。

(3) 基本磁场形态

(4) 基本实验内容

a) 距离相关的磁场探测实验、测试;

b) 距离不变磁场强度变化的探测实验、测试;

c) 不同磁场模式下探测灵敏度测试;

d) 不同磁场模式下探测线性度测试;

e) 线性霍尔传感器输出频响测试;

f) 利用磁场的数据传输实验;

g) 不同磁场模式下开关型霍尔传感器的开关门限检测试验;

h) 霍尔传感器应用系统的开发、测试与验证。

5 结论

设计的实验装置经过多批次实验教学应用, 能够丰富实验内容、拓展实验项目, 通过实验内容的丰富加强了学生对知识的理解掌握, 学生利用实验装置开展应用系统的自主设计开发积极性明显提高, 工程技术创新性教学效果良好。

霍尔效应及应用 第6篇

“我们正在努力提高观测量子反常霍尔效应这一物理现象的温度。希望能从原来的零下273摄氏度提升至零下269摄氏度。”薛其坤在接受科技日报记者采访时表示。

半年多来, 他们一直在为量子反常霍尔效应进一步深入研究和应用奋斗着。薛其坤说:“零下269摄氏度是氦气的液化温度, 是一个标志性温度。比如医院的CT工作时就是这个温度。如果能实现这一目标, 将为应用打下良好的基础。”

今年3月15日, 薛其坤团队的研究成果在线发表于美国《科学》杂志。4月12日, 该杂志正式发表这一论文, 其“展望”栏目还刊登了题为《完整的量子霍尔家族三重奏》的评论文章。文章表示, 中国科学家“证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在, 这是量子霍尔家族的最后一位成员”。

凝聚态物理中, 量子霍尔效应占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

要想了解量子反常霍尔效应, 必须先认识量子霍尔效应。比如我们使用计算机的时候, 会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定轨道, 相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则, 让它们在各自跑道上“一往无前”。

“这就好比一辆跑车, 常态下是在拥挤的农贸市场路上行驶, 而在量子霍尔效应下, 则可以在互不干扰的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比方。

但是量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场, “相当于外加10个计算机大的磁铁, 这不但体积庞大, 而且价格昂贵, 不适合个人电脑和便携式计算机”, 薛其坤说, 量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场, 在零磁场中就可以实现量子霍尔态, 更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

从美国物理学家霍尔丹1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应, 到我国科学家为这一预言画上完美句号, 中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者:“量子反常霍尔效应实现非常困难, 需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径, 但所需的材料和结构非常难以制备, 因此在实验上进展缓慢。”

“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度, 而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华大学教授王亚愚这样描述实验对材料要求的苛刻程度。

薛其坤团队经过近4年研究, 生长测量了1000多个样品。最终, 他们利用分子束外延方法, 生长出了高质量的Cr掺杂 (Bi, Sb) 2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜, 并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

对于外界的关注, 薛其坤说:“国家越来越重视基础科学研究, 我们备受鼓舞。任何一个现象从原理性的发现走到应用, 都需要不同领域的科学家和工业界的共同努力。”至于何时能把超级计算机变成平板电脑大小, 薛其坤严谨地表示:“这在原理上是可实现的, 但需要温度和材料方面都要有重大突破。量子反常霍尔效应的应用潜力非常大, 但是将来能不能走向应用, 什么时候能应用, 是很难预期的。也可能会出现一个意想不到的、更重要的应用。我们将与更多人合作将这个领域研究成果发扬光大, 推动它向着应用方向发展。”

本篇文章来源于科技网

霍尔效应及应用 第7篇

1 设计原理

1) 霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中, 在垂直于磁场方向通以电流I, 则与这二者平面垂直的方向上产生的霍尔电势差为:

KH为元件的霍尔灵敏度, 表示霍尔元件在单位磁感应强度作用和单位工作电流控制下, 霍尔电极开路时, 产生霍尔电势的大小。对于一个确定的霍尔元件, KH是一个常数[1]。

若保持霍尔元件电流I不变, 而使其在一均匀梯度的磁场中移动ΔZ的位移量, 则输出的霍尔电势差变化量为:

若磁铁间隙中心截面处磁感应强度为零, 霍尔元件处于该处时, 输出霍尔电势差应为零。当霍尔元件偏离中心沿Z轴发生位移时, 由于磁感应强度不再为零, 霍尔元件也就产生相应的电势差输出。由此可将霍尔电势差为零时元件所处位置作为位移的参考零点。

2) 如图2, 霍尔元件位于杠杆一端, 杠杆另一端悬挂有托盘, 在其轴心上方竖直悬挂弹簧的牵拉下保持平衡。

若测出霍尔传感器灵敏度K与弹簧劲度系数a, 则可求出待测物质量:

2 测量实验

2.1 霍尔元件位移传感定标

1) 在杠杆远离霍尔元件的一端悬挂砝码, 悬挂砝码的细线应套在杠杆上的凹槽内, 弹簧下端与杠杆相连。

2) 安装读数显微镜, 调节螺旋使目镜中的标准线与砝码悬线上的标度线对齐。

3) 打开数字电压表并调零, 微调支架高度, 记录读数显微镜中砝码悬线上标度线的位移z及电压表示数U。

拟合霍尔电压随位移变化的图像, 发现霍尔电压与位移变化具有良好的线性关系, U=293.28z-878.43, 则该霍尔元件灵敏度为:

2.2 实验操作

1) 拆除读数显微镜, 在杠杆一端悬挂托盘。

2) 调节杠杆水平, 调节支架使弹簧竖直。打开电压表并调零。

3) 用镊子将待测物体轻轻放在托盘上。

4) 将弹簧与杠杆静止后, 记录数字电压表示数。

5) 根据公式 (3) 计算出待测物质量。

实验所用轻质弹簧劲度系数为:

据此方法对小质量泡沫碎屑进行质量测量。数据见表2。

可见, 霍尔弹簧秤能达到比普通电子天平更高的精度。为进一步探究其准确程度, 利用万分之一电子天平对待测物进行测量, 对比数据如下表。

可见, 霍尔弹簧秤的测量精度与准确度较高, 可用于微小质量的测量。

3 结论

该装置利用霍尔位移传感器, 组合实验室常见的简单仪器, 可用于微小质量测量。由于霍尔电势差与位移量存在一一对应的关系, 当位移量较小 (一般<2mm) 时, 这种对应关系具有良好线性, 极大提高了小质量测量实验的精度。

参考文献

[1]江铭波.霍尔效应及霍尔元件在物理量测量中的应用[J].湖北工业大学学报, 2011年4月第26卷第2期.

浅谈霍尔传感器及在军工领域的应用 第8篇

现代社会是信息社会,信息技术是推动社会进步的支柱力量。现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术,即传感器技术、通讯技术和计算机技术[1],传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术之一,被广泛地应用于国民经济的各个领域,霍尔传感器就是其中应用非常广泛的一类,它不仅用于测量电压、电流、功率和磁感应强度等电磁参数,在非电量测量技术中还广泛应用于测量力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速等非电量参数[2]。

从茫茫太空,到浩瀚海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化的项目,都离不开各种各样的传感器,它对实现生产的自动化、合理化、降低生产成本、提高生产效率、提高产品质量,对提高人们的物质生活水平和健康水平,对保护环境、节约资源和能源,都起到了极其重要的作用,所以对霍尔传感器的研究有重要意义。

1 霍尔传感器的研究

1.1 霍尔传感器的发展历程

霍尔传感器是基于霍尔效应原理,自从1879年由美国物理学家霍尔(Hall)发现该效应后,它的应用经历了三个阶段[3,4,5]:

a.从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期,由于未能找到更合适的材料,虽然也有人利用霍尔效应做成磁场传感器件,但是实用价值不大,研究几乎一直处于停顿状态。

b.从20世纪40年代中期半导体理论和技术出现以后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件。相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。

c.自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔元件和相关的信号处理电路集成在一起的霍尔集成器件。进入20世纪80年代,随着大规模、超大规模集成电路和微机械加工技术的发展,出现了三管脚和四管脚霍尔元件,实现了霍尔元件的系列化、加工的批量化、体积的微型化,从而带动了霍尔传感器的飞速发展。

1.2 霍尔传感器的类型及工作原理

按照霍尔传感器的功能可分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器,前者输出模拟量,后者输出数字量,前者的输出电压与输入磁场强度间具有良好的线性关系,能适用于变化磁场的跟踪检测,后者的输出为高、低电平两种状态,常用于无刷电机和汽车点火装置中[6]。线性霍尔传感器的精度高、线性度好;开关型霍尔传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。

线性霍尔传感器主要由分立的霍尔元件、信号处理电路、集磁环、磁补偿线圈等共同焊装在同一块印制电路板上来实现各种测量功能。信号处理电路包括:运算放大器、三极管、二极管、电阻、电容等器件。

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。当外加的磁感应强度超过动作点Bop时,传感器输出低电平,当磁感应强度降到动作点Bop以下时,传感器输出电平不变,一直要降到释放点BRP时,传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠[7]。

霍尔传感器在电路原理上又划分为直测式和磁补偿式,工作原理如下[8]:

a.直测式原理

直测式霍尔传感器是利用集磁环将通电导线周围产生的磁场集中起来提供给磁敏元件,再由磁敏元件转换为弱电信号,经放大输出电压信号。这种霍尔器件电路原理简单,适合于测量低频电流,频宽较窄,抗电磁兼容性较差,测量精度低。其原理图如图1所示。

b.磁补偿式原理

磁补偿式霍尔传感器的原理是在直测式霍尔器件的原理基础上加上了零磁通原理。即集磁环将原边电流所产生的磁场聚集后,作用于霍尔元件,使其有电压信号输出,经放大输入到功率放大器,输出补偿电流流经次级补偿线圈,次级线圈产生的磁场与原边电流产生的磁场相反,因而补偿了原边磁场,使霍尔输出逐渐减小,当原次级磁场相等时,补偿电流不再增大,这就是零磁通检测的原理。

另外,霍尔传感器按照供电方式可分为单电源霍尔传感器和双电源霍尔传感器;按照测量形式可分为单向测量传感器和双向测量传感器。

1.3 霍尔传感器的特点

霍尔传感器具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高,耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器是一种先进的、能隔离测量和控制的传感器。它综合了互感器和分流器的所有优点,同时又克服了互感器和分流器的不足:互感器只适用于50Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量。霍尔传感器可以检测各种直流、交流及各种脉冲信号,而且能替代互感器和分流器。具有以下特点[9]:

a.可测量任意波形的电压和电流,如直流、交流和脉冲波形等;

b.线性度好:在工作温度范围内线性度优于0.1%;

c.精度高:在工作温度范围内的精度优于0.5%,该精度适合于任何波形的测量,而普通互感器精度一般为2%～5%,且只适合于测量50Hz的正弦波形;

d.动态特性好:一般响应时间小于1μS,跟踪速度di/dt大于50A/μS;

e.工作频带宽:可在0～100kHz频率范围内很好地工作;

f.过载能力强:短时间能承受三倍额定电流的被测电流;

g.工作温度范围宽:通过设计温度补偿电路,工作温度范围可达-55℃～125℃;

h.可靠性高:平均无故障工作时间大于5万小时;

i.尺寸小,重量轻,易于安装且不会给系统带来任何损失。

2 在军工领域的应用

霍尔传感器不仅可以广泛应用于仪器、仪表、机车、电力、汽车、计算机等行业和民用领域,也可以应用在航天、航空、兵器等国防军事领域,并在这些领域内扮演着重要的角色[10]。

霍尔传感器是采用非接触式的方式来对电量型和非电量型等参数进行测量,由于灵敏度高、输出幅度大、温度漂移小、工作寿命长、可靠性、安全性高等诸多特点,且对电源稳定性的要求不高,所以在我国航天器上检测及过程自动控制等许多领域都有很大的应用空间[11]。基于霍尔传感器的以上优点,目前霍尔传感器已经在我国航天领域得到了广泛应用,主要包括神舟飞船、嫦娥卫星、导航卫星、天宫飞行器、各种小卫星、运载火箭和导弹等。例如用在飞行器的电源系统中,能够实时跟踪电源的电流、电压、功率变化情况及供电的运行状态,监测供电线路的过负荷、短路及断路等故障信息,使得飞行器能够根据所检测到的供电网络的综合信息,自主做出迅速的判断和处理,确保系统及设备正常工作,保证飞行器按照既定目标稳定飞行、可靠工作。对非电量物理量测量主要包括[12]:力、位置、位移、速度、加速度、角度、转数及转速等,例如霍尔开关感应被测磁场后输出电压,可以驱动控制三极管、晶闸管等元件,也可以驱动TTL、MOS等集成电路,从而与它们构成许多形式的控制电路,从而控制电气设备的开、关,检测转动物体的转速,测量往复运动物体的运动频率等,可以应用于直流无刷电机、无触点开关、位置控制、隔离检测等方面。

在其它军工产品测量和控制方面也有很广泛的应用。具体应用包括:军用电源系统电流检测;发射系统电源检测、微波功率管的过流保护;高频电源伺服系统、高压电源系统电压保护;船舰警戒探测系统电源检测保护;在船舶中工作的霍尔行程开关;飞机雷达天线的限位传感器;太阳电池阵驱动机构零位传感器;军用车辆发动机转速检测的霍尔齿轮传感器;导弹发射控制的霍尔角度传感器。

综上所述霍尔传感器在我国航天领域和军工领域都有着至关重要的应用,能够提供安全、可靠、稳定的检测手段,能够实时监测关键设备的工作状态,能够提高航天器自主监控的能力,最终实现智能检测,智能排除故障的功能,对军工产品的故障预警和故障诊断具有重大的意义。

3 结论

如今,虽然霍尔传感器已被广泛的应用在航天、航空、兵器、船舶、武器、机械、能源、石油、化工、医疗、交通运输等领域,在各种信息采集和处理中都起到了极其重要的作用[14]。但由于霍尔传感器体积相对元器件体积较大,在有些军工领域小型化方面的应用还受到一定的限制。今后,对霍尔传感器的研究将朝着实现微型化、微功耗、高灵敏度、高精度、高稳定性、智能化和多功能化方向开展。

摘要：本文首先概述了霍尔传感器技术及其应用情况,阐述了霍尔传感器的发展历程、类型及工作原理,其次研究了霍尔传感器的组成和特点,最后探讨了霍尔传感器在军工领域的应用情况及发展方向。