霍尔效应的原理及应用

霍尔效应的原理及应用

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的一种效应。这一效应不仅在物理学领域具有重要理论价值，还在汽车测试、电力测量等多个领域有着广泛的实际应用。本文将从原理到应用，为您详细解析霍尔效应的方方面面。

霍尔效应的原理

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场的相互作用，而产生电动势的一种效应。
这个导电材料通常是半导体材料，将半导体材料接入一个电源中，形成一个回路，此时电路中就存在电荷的定向移动，如下图：

如果此时将这个导电板处于一个磁场中，电荷会受到洛伦兹力，其路径会发生偏移，电荷偏移之后，就会形成电场，电荷同时会受到电场力，这个力正好与洛伦兹力方向相反，阻碍其移动，最终，电场力与洛伦兹力平衡，如下图：
如果使用仪表测试导电板两侧的电压，会发现其形成了电动势

我们对上述过程进行进一步分析：

E:电场强度；
e：单个粒子的电荷量；
n：单位体积的带电粒子数量；
B：磁通密度；
v：带电粒子移动速度。
最终平衡时：
这个霍尔系数是跟霍尔材料有关的参数，就得到霍尔效应的核心公式：
这个U被称为霍尔电压。可以看出当材料及形状确定时。
最终可等效为下图：

霍尔效应的实际应用

霍尔效应的应用十分广泛，就我比较熟悉的汽车测试行业，列举两例，来进一步理解霍尔效应。

变速箱转速检测

检测原理图如下：
等效原理图如下：
在齿轮旋转的过程中，霍尔元件所处的磁场会发生变化，磁通密度也随之发生变化，如下图：
整个完整检测过程见下图：

钳形表测量直流电流

我们常常使用的钳形表，测量直流时，基本都是用的霍尔效应来进行测量。
其等效原理图如下图所示：
驱动电路提供一个恒定的电流，经过霍尔元件形成一个回路，当穿过钳圈的导体上流过直流电流时，会在磁芯内部产生一个恒定的磁通，此时霍尔元件就处于磁场中，就会产生电压差，再经过放大器放大并滤波后就能形成一个与被测导体电流成正比的电压值，再经过采集换算就能得到对应的电流并显示在钳形表上。