6AV2123-2JB03-0AX0一級代理商

時間：2023-06-06

作者：潯之漫智控技術（上海）有限公司

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霍爾器件的應用與我們的日常生活也息息相關，例如電動車轉動把手上就有霍爾器件。轉動把手，通過霍爾器件將磁信號轉換為電信號，并傳送給控制器，進而控制電動車的電機轉速。再如霍爾傳感式鉗形電流表、汽車開關電路上的功率霍爾電路……

霍爾器件的工作原理就是霍爾效應，那么，什么是霍爾效應?

想要了解霍爾效應，就得先了解電磁效應中的洛倫茲力、電流與電壓的含義。接下來我將給大家一一講解以上內(nèi)容。

一、電流與電壓

電荷可以激發(fā)電場，并對置于電場中的其他電荷產(chǎn)生電場力的作用，類似于地球周圍的重力場可以對人產(chǎn)生重力作用。電荷量越大，電場越強，相同距離間的電場力作用就越明顯，這個作用就是電壓，如下圖1-1所示。

圖1-1

也就是說，電壓越大，表明電場越強，對電荷的作用力就越大。又因為，導體中存在大量自由電子(負電荷)，所以，若給導體施加電壓，就相當于在導體內(nèi)部施加了個強電場，在這個強電場的作用力下，導體內(nèi)部的自由電子因受到力的作用發(fā)生定向移動，這就是電流。且電壓越大，電場越強，受到電場力發(fā)生移動的電荷(自由電子)就越多，電流就越大。換言之，電流一方面表明了電荷的定向移動，一方面又表示了移動的電荷量(單位時間通過導體截面的電荷量)。

另外，電場方向為電壓正極指向電壓負極，或者說，電場方向為正電荷指向負電荷。由于電荷之間同性相斥，異性相吸，若正電荷處于電場中，就會受到電場力從電壓正極跑向負極，這個跑向就是電流正方向，所以把電流從電壓正極流向負極的這種方向關系稱為關聯(lián)參考方向。

了解了電壓與電流的含義后，我們繼續(xù)講解洛倫茲力。

二、洛倫茲力

洛倫茲力屬于電磁力的一種。電磁力包括宏觀上的安培力以及微觀上的洛倫茲力。所謂電磁力，是指通電導體或運動電荷處于磁場中時，會受到磁場的作用力。因為通電導體本質(zhì)是其內(nèi)部電荷的定向移動，大量運動電荷，每個運動電荷都受到洛倫茲力的作用，在宏觀上就表現(xiàn)為導體所受到的安培力(各個洛倫茲力的合力)。

洛倫茲力的方向判斷用左手定則，如下圖1-2所示，磁力線從掌心穿過，四指指向正電荷的運動方向(即電流正方向)，拇指指向即為洛倫茲力方向，在這個力的作用下，正電荷的運動將發(fā)生偏轉。

圖1-2

圖1-2中的“×”表示磁力線方向為垂直于紙面往里。顯然，若運動電荷帶負電，四指指向?qū)⑾喾?因為負電荷的運動方向與電流正方向相反)，根據(jù)左手定則，可以發(fā)現(xiàn)，同一磁場中，正、負電荷所受到的洛倫茲力方向相反。毫無疑問，磁場越強，運動電荷所受到的洛倫茲力就越大。

已知電壓電流與洛倫茲力的含義，那么我們對霍爾效應的理解就會顯得尤為簡單。

三、霍爾效應

霍爾效應由物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)，簡單來說就是給半導體通電并將其置于磁場中，該半導體將會產(chǎn)生另一個電壓。詳細內(nèi)容如下。

給一半導體通電，將有電流流過，如下圖1-3所示，電流由自由電子定向移動形成。

圖1-3

將磁體靠近通電的半導體，此時半導體處于磁場中，如下圖1-4所示。顯然，半導體中定向移動的自由電子就會受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉。根據(jù)左手定則，磁力線從上往下穿過半導體，電子運動方向為四指反方向，得拇指為電子偏轉方向。

圖1-4

另外，在半導體中，電荷除了自由電子外，還有失去電子的空穴(或者說離子，帶正電)，它們帶有等量異性電荷，分別處于半導體兩側，如下圖1-5所示。由于異性電荷分別聚集在半導體兩側，這就會在半導體內(nèi)部形成內(nèi)電場，即正負電荷之間的空間存在電場。

圖1-5

電場的建立，相當于有了電壓的存在，此時用電壓表測半導體兩側，必然會有具體電壓值，這個電壓被稱為霍爾電壓或霍爾電勢差。

另外，圖1-5中的電子依然是保持運動的，只不過其運動軌跡由直線變成弧線。

結合上文說言的洛倫茲力，磁場越強，所能束縛的運動電荷就越多，那么半導體兩側聚集的異性電荷就越多，所建立的內(nèi)電場就越強，即兩側的電壓越大。

所以，改變磁場的強弱，就可以改變半導體兩側的霍爾電壓，這就是霍爾器件的工作原理，你明白了嗎?

回到前文的電動車把手，把手轉動部分裝有磁體，固定部分裝有霍爾元件，轉動把手，就相當于改變磁體與霍爾元件的相對位置，對于霍爾元件來說，其周圍的磁場發(fā)生改變，所以輸出電壓也就改變!

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