沒有磁場干預的情況下
如果此時將這個導電板處於一個磁場中,電荷會受到洛倫茲力,
上面的現象變換,用一張圖來解釋:
使用儀表測試導電板兩側的電壓,會發現其形成了電動勢
霍爾式感測器的工作原理
霍爾式感測器的物理基礎是霍爾效應。如圖5.10所示,在一塊長度為l、寬度為b、厚度為d的長方體導電板上,左、右、前、後側面都安裝上電極。在長度方向上通入電流I,在厚度方向施加磁感應強度為B的磁場。
■ 圖5.10 霍爾效應示意圖
導電板中的自由電子沿電流反方向作定向移動,平均速度為v。在磁場的作用下,電子受到洛倫茲力的作用。每個電子受到洛倫茲力fL的大小為
其中,e是一個電子的電荷量,e=1.6×10-19C。根據左手定則,可以判斷出洛倫茲力fL的方向由外向裡。
電子除了作定向移動外,還在洛倫茲力的作用下向裡飄移,結果在導電板的裡表面積累了電子,在外表面積累了正電荷,這樣,導電板中就形成了附加電場EH,稱為霍爾電場。
在霍爾電場的作用下,電子將受到一個與洛侖茲力方向相反的電場力
的作用,這個力阻止電荷的繼續積聚。當導電板中電子積累達到動態平衡時,電荷不再增加,電子所受的洛侖茲力和電場力大小相等,即
化簡得
這時,在導電板的外表面與裡表面就產生電勢差,大小為
把公式(5.16)代入(5.17),得
當載流導體或半導體處在與電流垂直的磁場時,在其與電流方向、磁場方向都垂直的兩端將產生電位差,這一現象稱為霍爾效應,霍爾效應產生的電動勢稱為霍爾電動勢,長方體導電板稱為霍爾片。霍爾效應是運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果,基於霍爾效應的感測器稱為霍爾式感測器。
由公式(5.18)可見,霍爾電動勢UH與磁感應強度B成線性關係,因此,透過測量UH可以得到B。這就是霍爾感測器的工作原理。
1879年,美國物理學家霍爾(Edwin H. Hall,1855-1938)在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應,但是,由於金屬材料的霍爾效應太弱,霍爾效應沒有得到應用。隨著半導體技術、材料科學和電子技術的發展,使用半導體材料製作的霍爾片具有明顯的霍爾效應,並且出現了高強度的恆定磁體以及工作於小電壓輸出的訊號調節電路,霍爾式感測器迅速發展起來了。霍爾式感測器用於測量電磁、電力、加速度、振動等物理量,應用非常廣泛。例如,汽車上就使用了多種霍爾式感測器。
參考文獻:
1,幻影童緣-道系青年.知乎
2、《感測器原理與應用》第5章5.2.1節,作者:孫寶法