《2021-2022学年高二物理竞赛课件：霍耳（E.C.Hall)效应.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2021-2022学年高二物理竞赛课件：霍耳（E.C.Hall)效应.pptx（15页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、霍耳霍耳（E.C.Hall)效应效应12霍耳霍耳（E.C.Hall)效应效应1879年霍耳发现把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向年霍耳发现把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。实验结果实验结果:实验上称实验上称 RH 为霍耳系数，为霍耳系数，与材料有关。与材料有关。载流子的正负决定载流子的正负决定 U12 的正负的正负3走近科学走近科学中国中国UFO悬案调查续集悬案调查续集深空魅影深空魅影第一集第一集2006年年8月月1
2、日播出日播出 2005年年9月月25日傍晚，中国南方航空公司日傍晚，中国南方航空公司一架航班在飞往青岛途中，飞行员猛然发一架航班在飞往青岛途中，飞行员猛然发现飞机正前方的夜空中，出现了一个蚊香现飞机正前方的夜空中，出现了一个蚊香状的奇异的发光体，正以一种内螺旋轨迹状的奇异的发光体，正以一种内螺旋轨迹飞行！奇怪的是，在空管部门的雷达上这飞行！奇怪的是，在空管部门的雷达上这个物体没有丝毫显示！个物体没有丝毫显示！就在这个夜晚，我国的辽宁、吉林、黑龙江、就在这个夜晚，我国的辽宁、吉林、黑龙江、内蒙等多个地区，都有人目击了同一不明飞内蒙等多个地区，都有人目击了同一不明飞行物行物.1981年，我国西南竟
3、然发生过一次与年，我国西南竟然发生过一次与“9.25”几乎完全相同的几乎完全相同的UFO目击事件。目击事件。一种螺旋状的一种螺旋状的UFO，在我国反复出现一种，在我国反复出现一种UFO.成因假设之一：该现象是类彗流星体在穿经地球磁场时，由其上的等成因假设之一：该现象是类彗流星体在穿经地球磁场时，由其上的等离子体（电浆）和地球磁场相互作用而形成的一种特殊天文现象离子体（电浆）和地球磁场相互作用而形成的一种特殊天文现象.4*磁聚焦磁聚焦 magnetic focusing一束发散角不大的带电粒子束，若这一束发散角不大的带电粒子束，若这些粒子沿磁场方向的分速度大小又一些粒子沿磁场方向的分速度大小又一
4、样，它们有相同的螺距，经过一个周样，它们有相同的螺距，经过一个周期它们将重新会聚在另一点这种发散期它们将重新会聚在另一点这种发散粒子束会聚到一点的现象叫粒子束会聚到一点的现象叫磁聚焦磁聚焦。粒子粒子源源A接收接收器器A5它广泛应用与它广泛应用与电真空器件中电真空器件中如如电子显微镜电子显微镜中。它起了光中。它起了光学仪器中的透学仪器中的透镜类似的作用。镜类似的作用。聚焦磁极聚焦磁极6II_经典解释经典解释:以载流子是负电荷为例以载流子是负电荷为例,其定向漂移速度与电其定向漂移速度与电流反向流反向,在磁场中的洛仑兹力使载流子运动，在磁场中的洛仑兹力使载流子运动，在在1 1、2 2横向上形成横向上
5、形成(霍耳霍耳)电场。电场。+-U霍耳电场力（霍耳电场力（eEH）与洛仑兹力（）与洛仑兹力（evb）平衡）平衡时电子的漂移达到动态平衡，从而形成横向时电子的漂移达到动态平衡，从而形成横向电势差。电势差。-q7霍耳系数霍耳系数 RH 在金属导体中，自由电子的浓度大，故金属导体的霍耳系数在金属导体中，自由电子的浓度大，故金属导体的霍耳系数很小，相应的霍耳电势差也就很弱，即霍耳效应不明显。很小，相应的霍耳电势差也就很弱，即霍耳效应不明显。在半导体中，载流子浓度很低，故半导体的霍耳系数比金属在半导体中，载流子浓度很低，故半导体的霍耳系数比金属导体大得多，即半导体能产生很强的霍耳效应。导体大得多，即半导
6、体能产生很强的霍耳效应。在电流、磁场均相同的前提下，应特别注意：在电流、磁场均相同的前提下，应特别注意：p型半导体型半导体(载载流子流子:正电荷的空穴正电荷的空穴)和和n型半导体型半导体(载流子载流子:负电荷的电子负电荷的电子)的霍的霍耳电势差正负不同。耳电势差正负不同。8例：如图所示，一块半导体样品沿例：如图所示，一块半导体样品沿 x 轴方向有电流轴方向有电流 I 流动流动，在在 z 轴方向轴方向有均匀磁场有均匀磁场 B。实验数据如下实验数据如下：a=0.10cm，c=1.0cm，I=1.0mA，B=0.3T，半导体片两侧的电势差，半导体片两侧的电势差 U12=6.55 mV。(1)(1)试
7、问此半导体是试问此半导体是P 型还是型还是n 型型？(2)(2)求载流子浓度求载流子浓度n为多少为多少？解解:(1)(1)U2-U1 0不可能是不可能是P 型半导体型半导体I12cbaPI1212InU1-U2 0此半导体为此半导体为 n 型半导体型半导体a为沿为沿B方向半导体的厚度方向半导体的厚度.9霍耳效应的应用霍耳效应的应用 因为半导体的载流子浓度小于因为半导体的载流子浓度小于金属电子的浓度且容易受温度、杂金属电子的浓度且容易受温度、杂质的影响，所以霍耳系数是研究半质的影响，所以霍耳系数是研究半导体的重要方法之一。导体的重要方法之一。测量载流子类型测量载流子类型测量载流子浓度测量载流子浓
8、度测量磁感应强度测量磁感应强度 九十年代，发现量子霍耳效应九十年代，发现量子霍耳效应,即曲线即曲线UAA I当当B,d,RH为常数时，出现台阶，而不为线性关系。理论上用量为常数时，出现台阶，而不为线性关系。理论上用量子力学解释尚不够。分数量子霍耳效应与分数电荷的存在子力学解释尚不够。分数量子霍耳效应与分数电荷的存在与否有关。与否有关。8686年获诺贝尔奖金。年获诺贝尔奖金。10讨论题讨论题讨论讨论 电磁流量计（简称电磁流量计（简称EMFEMF）是一种场效应型传感器）是一种场效应型传感器,已有已有50多年的应用历多年的应用历史，在全球范围内得到广泛应用，领域涉及水史，在全球范围内得到广泛应用，领
9、域涉及水/污水、化工、医药、造纸、污水、化工、医药、造纸、食品等各个行业。大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液食品等各个行业。大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相等难测流体或高要求场所。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工双相等难测流体或高要求场所。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。业、生物工程等有卫生要求的场所。使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的,试分析工作原理试分析工作原理.11 导电液体自左向右在非磁性管道内流动时导电液体自左向右在非磁性管道内流动时,在洛仑兹力作用下在
10、洛仑兹力作用下,其中的正离子积累于上表面其中的正离子积累于上表面,负离子积累于下表面负离子积累于下表面,于是在管道中于是在管道中又形成了从上到下方向的匀强霍尔电场又形成了从上到下方向的匀强霍尔电场EH它同匀强磁场它同匀强磁场B一起构一起构成了速度选择器。因此在稳定平衡的条件下成了速度选择器。因此在稳定平衡的条件下,对于以速度对于以速度v匀速流匀速流动的导电液体动的导电液体,无论是对其中的正离子还是负离子无论是对其中的正离子还是负离子,都有都有 流速流速 液体流量液体流量电磁流量计工作原理分析电磁流量计工作原理分析:(1)(1)截面矩形截面矩形的非磁性管的非磁性管,其宽度为其宽度为d、高度为、高
11、度为h，管内有导电液体管内有导电液体自左向右流动自左向右流动,在垂直液面流动的方向加一指向纸面内的匀强磁在垂直液面流动的方向加一指向纸面内的匀强磁场场,当磁感应强度为当磁感应强度为B时时,可通过测量液体上表面的可通过测量液体上表面的a与下表面的与下表面的b两两点间的霍尔电势差点间的霍尔电势差UH，确定，确定液体流量。液体流量。12(2)(2)截面园形截面园形的非磁性管的非磁性管,B磁感应磁感应强度；强度；D测量管内径；测量管内径；U流量信流量信号（电动势）；号（电动势）；v液体平均轴向流液体平均轴向流速速,L测量电极之间距离测量电极之间距离.霍尔电势霍尔电势U在圆形管道中，体积流量是：在圆形管
12、道中，体积流量是：把方程把方程(1)(1)、(2)(2)合并得：液体流量合并得：液体流量或者或者 k（无量纲）的常数（无量纲）的常数K校准系数，通常是靠湿式校准来得到。校准系数，通常是靠湿式校准来得到。截面矩形截面矩形13根据根据LC振荡电路的磁回路特性振荡电路的磁回路特性,一旦介质内部出现裂纹一旦介质内部出现裂纹,将会引起磁导率的突将会引起磁导率的突变变,从而使回路的电磁参数发生变化从而使回路的电磁参数发生变化。将这一结果用于铁磁材料表面和内部伤将这一结果用于铁磁材料表面和内部伤痕、裂纹的检测中痕、裂纹的检测中,其检测方法原理简单其检测方法原理简单,操作方便操作方便,检测灵敏度高。检测灵敏度
13、高。LC磁回路测量原理：磁回路测量原理：磁回路的基本模型如图所示。磁回路的基本模型如图所示。A是带线圈的磁芯，是带线圈的磁芯，M是是待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安待检测的材料，如容器壁。磁回路最基本的规律是安培环路定理培环路定理:假定整个回路采用高导磁率材料组成假定整个回路采用高导磁率材料组成,而且回路中绕有而且回路中绕有N匝线圈匝线圈,线圈中电流线圈中电流为为I I,若同一种材料中的磁场强度相同若同一种材料中的磁场强度相同,则环路定理就可以写成：则环路定理就可以写成：式中式中Hi总是沿是沿l i方向。当回路中第方向。当回路中第i段的截面积为段的截面积为S i时时,Bi Si
14、=i,由于环路内由于环路内各处截面的磁通都相同各处截面的磁通都相同,i=.于是有：于是有：14上式中令：上式中令：分别为磁回路的磁动势和磁阻，分别为磁回路的磁动势和磁阻，则则 另一方面另一方面,根据磁回路中的自感电动势定义：根据磁回路中的自感电动势定义：由式由式(1)(1)得到：得到：假定由该回路与电容假定由该回路与电容C 组成组成LC振荡电路振荡电路,电路的振荡频率电路的振荡频率f 为：为：磁路的欧姆定理磁路的欧姆定理15由式由式(2)(2)可见可见,在回路几何参数一定的情况下在回路几何参数一定的情况下,振荡频率由回路中振荡频率由回路中的磁导率决定的磁导率决定.在磁回路图中在磁回路图中,假定由容器壁假定由容器壁M与带线圈的磁芯与带线圈的磁芯A组成回路组成回路,若维持几何参数不变若维持几何参数不变,只要容器壁是均匀的只要容器壁是均匀的,那么不同地那么不同地方的回路振荡频率便相同方的回路振荡频率便相同.在材料内部一旦出现气泡、裂纹在材料内部一旦出现气泡、裂纹,则则在其边界部位磁导率出现较大变化在其边界部位磁导率出现较大变化,振荡频率就会出现跳变振荡频率就会出现跳变.据据此就可以探测到材料表面和内部的伤痕、裂纹此就可以探测到材料表面和内部的伤痕、裂纹.