淺談霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是電磁感應(yīng)原理，該效應(yīng)的表現(xiàn)為頻繁的電磁信號(hào)傳輸以及轉(zhuǎn)換。隨著科學(xué)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的信號(hào)傳輸以及能量交換的各個(gè)環(huán)節(jié)中，霍爾效應(yīng)都有很高的存在感。因此，對(duì)霍爾效應(yīng)原理的分析并結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用可以加深理解并對(duì)更加深入的研究提供基礎(chǔ)參考。

1  霍爾效應(yīng)原理簡(jiǎn)析

霍爾效應(yīng)是在與磁場(chǎng)垂直的帶電導(dǎo)體中施加一個(gè)磁場(chǎng)，導(dǎo)體中的電子由于受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生偏移，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)方向通過(guò)左手定則確定）的現(xiàn)象。具體分析如下圖所示。

圖1  霍爾效應(yīng)原理圖

從上圖中可以看出，長(zhǎng)方體半導(dǎo)體極板中電子水平方向運(yùn)動(dòng)，與電流方向相反，由于垂直于該半導(dǎo)體的磁場(chǎng)B的作用，極板中的電子收到洛倫茲力fL的作用運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體極板中電子分布不均并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH，電子偏移的方向通過(guò)左手定則可以判斷，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH的方向與其相反。

霍爾效應(yīng)由于其電磁感應(yīng)的特點(diǎn)，非常適用于用在帶電信號(hào)傳輸?shù)碾娐分校捎诎雽?dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)度高，磁場(chǎng)穩(wěn)定，測(cè)量精度高的電磁元件不斷出現(xiàn)，該類元件利用霍爾效應(yīng)原理制成并廣泛應(yīng)用到高電壓測(cè)量以及電力電子技術(shù)等低電壓信號(hào)以及二次弱信號(hào)測(cè)量中。

2  霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

由于霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)，其在信號(hào)測(cè)量、控制以及保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本文將通過(guò)介紹霍爾傳感器、霍爾開關(guān)電路以及磁流體發(fā)電技術(shù)等利用霍爾效應(yīng)制成的器件對(duì)霍爾效應(yīng)進(jìn)行更加形象的介紹。

2.1  霍爾傳感器

霍爾傳感器是霍爾效應(yīng)的典型應(yīng)用?；魻杺鞲衅黝愋洼^多，可以測(cè)量位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位、電壓等各種參數(shù)，但其測(cè)量原理相同，都是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，把磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)從而進(jìn)行采集分析。因此本文主要通過(guò)對(duì)霍爾電壓傳感器以及位移傳感器的分析來(lái)對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行理解。

2.2  電壓傳感器

霍爾電壓傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)電磁感應(yīng)原理所制成的測(cè)量元器件。其一般通過(guò)內(nèi)置或外接限流電阻，將輸入電流限制在10mA以內(nèi)，以保證測(cè)量的安全性。該輸入電流經(jīng)過(guò)線圈繞組后經(jīng)過(guò)聚磁材料將其產(chǎn)生磁場(chǎng)被氣隙中的霍爾元件檢測(cè)到，通過(guò)電磁感應(yīng)原理感應(yīng)出二次電流，該補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流（被測(cè)電壓通過(guò)限流電阻產(chǎn)生）產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，從而使磁芯中的磁通一直保持為零。

霍爾電壓傳感器主要包括磁環(huán)、原邊輸入線圈、副邊輸出線圈、差分放大器等主要器件構(gòu)成，另外還需要限流電阻來(lái)對(duì)副邊感應(yīng)電流進(jìn)行限制，具體分析如下：

由于原邊輸入電流IP限制為10mA以內(nèi)，因此需要通過(guò)限流電阻R1將輸入電流限制在規(guī)定范圍之內(nèi)，具體為：

                                       IP=VP/R1                                                      （1）

原邊電流IP經(jīng)過(guò)原邊線圈感應(yīng)出磁場(chǎng)B，經(jīng)過(guò)電磁感應(yīng)原理在副邊線圈中產(chǎn)生二次電流IS’，然后二次電流IS’經(jīng)過(guò)差分放大器放大后的電流為IS，最后通過(guò)測(cè)量電阻RM后即可測(cè)量二次電壓UM。實(shí)際測(cè)量中再根據(jù)所測(cè)量的二次電壓UM通過(guò)霍爾傳感器互感倍數(shù)折算后即可計(jì)算出一次側(cè)電壓值。

2.3  位移傳感器

由于磁場(chǎng)的分布是不均勻的，同一載流體在不同強(qiáng)度磁場(chǎng)中所感應(yīng)出的電壓大小不同，根據(jù)這個(gè)原理制成了位移傳感器，位移傳感器置于兩塊磁體所構(gòu)成的磁場(chǎng)中，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁場(chǎng)中的各個(gè)位置是不同的，因此當(dāng)位移傳感器在其中移動(dòng)時(shí)，所感應(yīng)出的電壓是不同的，根據(jù)這個(gè)原理，就可以通過(guò)感應(yīng)電壓測(cè)量出位移的距離。

同時(shí)，轉(zhuǎn)速、角度、壓力等都是通過(guò)該原理所制成。

2.4  優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用分析我們可以發(fā)現(xiàn)，霍爾傳感器在使用中具有測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高（利用差分放大器）等特點(diǎn)，另外通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)其他特點(diǎn)：

（1）由于其對(duì)于差分放大器的使用可以發(fā)現(xiàn)，其可以測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，因此在測(cè)量某些磁場(chǎng)元件時(shí)傳感器可以做的很小；

（2）由于其利用電磁感應(yīng)原理，因此其對(duì)一二次電路進(jìn)行了隔離，在工業(yè)測(cè)量中安全性較高；

（3）另外霍爾傳感器還具有能夠測(cè)量任意波形、帶寬較寬、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長(zhǎng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

霍爾傳感器也存在缺點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)為測(cè)量結(jié)構(gòu)極易受溫度影響，線性度比較差。該缺點(diǎn)在電力電子等發(fā)熱較多的器件中體現(xiàn)極為明顯，因此需要根據(jù)其實(shí)際使用環(huán)境對(duì)其線性度根據(jù)溫度進(jìn)行校正，以確保實(shí)際使用準(zhǔn)確度。

2.5  霍爾開關(guān)電路

在電力應(yīng)用中，廣泛的應(yīng)用到各類保護(hù)及控制開關(guān)。霍爾開關(guān)是通過(guò)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小來(lái)制成的。由于電路中的電流與其所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，當(dāng)電流增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也增大，感應(yīng)出的二次電流也隨之增大，當(dāng)電路中一次電流增大到一定值，二次電流檢測(cè)到之后開關(guān)內(nèi)部觸發(fā)器動(dòng)作，從而進(jìn)行保護(hù)。利用這個(gè)特點(diǎn)不僅可以制成過(guò)流保護(hù)開關(guān)，還可以制成過(guò)壓、欠壓、欠流等各種類型保護(hù)開關(guān)。

霍爾開關(guān)具有無(wú)觸點(diǎn)、低功耗、長(zhǎng)使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。

利用霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)，可以制成各種與二次控制相關(guān)的接近開關(guān)、傳感器、觸發(fā)開關(guān)、保護(hù)開關(guān)等產(chǎn)品。

2.6  磁流體發(fā)電技術(shù)

磁流體發(fā)電裝置是一種新型發(fā)電裝置，目前仍在不斷研究過(guò)程中。其原理為通過(guò)高溫使等離子氣體產(chǎn)生電離的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行加速，使電離的電子高速通過(guò)磁場(chǎng)，從而由于洛倫茲力的作用，電子大量聚集在磁場(chǎng)中半導(dǎo)體極板的兩端，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到一定程度時(shí)即可作為穩(wěn)定的電壓源向外界輸出電壓。

該裝置是通過(guò)高速電子代替了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)使用繞組切割磁感線的發(fā)電方式，從而避免了摩擦以及繞組發(fā)熱所產(chǎn)生的損耗，節(jié)約了能量，在未來(lái)的應(yīng)用前景十分可觀。但目前鑒于技術(shù)問題，還不能大面積推廣應(yīng)用。

3  結(jié)語(yǔ)

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用面十分廣泛，通過(guò)其電磁感應(yīng)原理可以設(shè)計(jì)各種不同功能的二次器件，這類器件在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用。通過(guò)上述對(duì)霍爾效應(yīng)原理的分析以及通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行了更加深入的了解，我們可以從基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行一次全面的認(rèn)識(shí)，當(dāng)然其應(yīng)用范圍不限于此，隨著社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多基于霍爾效應(yīng)的新功能新產(chǎn)品也會(huì)隨之出現(xiàn)。

在了解霍爾效應(yīng)的各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，我們也要知道其所存在的不足之處。由于其根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，器件極易受到外部磁場(chǎng)的影響，因此對(duì)于制造材料以及工藝的要求也極為嚴(yán)格，這無(wú)形之中增加了元器件的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致利用霍爾效應(yīng)所制造的器件價(jià)格普遍較高。

4  展望

對(duì)霍爾效應(yīng)不斷研究的同時(shí)，與其相關(guān)的其他理論也在不斷被發(fā)現(xiàn)。例如美籍華裔物理學(xué)家崔琦和美國(guó)物理學(xué)家勞克林、施特默在更強(qiáng)磁場(chǎng)下研究量子霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)；斯坦福華裔教授張首晟與母校合作開展了“量子自旋霍爾效應(yīng)”的研究；清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破等。這些研究成果的出現(xiàn)必將加速該領(lǐng)域的發(fā)展，從而推動(dòng)全行業(yè)的進(jìn)步。

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