霍尔效应实验装置

美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于1879年在实验中发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的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。

在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)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,克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

之后,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui,1939- )和美国物理学家劳克林(Robert B.Laughlin,1950-)、施特默(Horst L.St rmer,1949-)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,他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。

实验装置:

原理:

通过该实验可以了解霍尔效应的物理原理以及把物理原理应用到测量技术中的基本过程。

如图所示,将一块半导体或导体材料,沿Z方向加以磁场,沿X方向通以工作电流I,则在Y方向产生出电动势。这现象称为霍尔效应。称为霍尔电压。

实验表明,在磁场不太强时,电位差与电流强度I和磁感应强度B成正比,与板的厚度d成反比。

应用:

利用霍尔效应制造的电压及电流传感器,精确度非常之高,是电学测量的有效工具。

霍尔电压的推导:

根据电场力和洛伦兹力平衡,列出等式Bvq=U/l·q(B为磁感应强度v为自由电子的速度q为自由电子的带电量U为霍尔电压l为横截面的长度),故U=Bv,在根据电流的微观解释I=nevs,所以v=I/(nes),代入U=Bv,得U=BI/(ned)(d为霍尔元件的厚度),如令k=1/(ne),则U=kIB/d,K为霍尔系数。

霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。