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)為頻繁的電磁信號傳輸以及轉(zhuǎn)換。隨著科學(xué)的進(jìn)步，工業(yè)自動化技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在工業(yè)自動化技術(shù)的信號傳輸以及能量交換的各個環(huán)節(jié)中，霍爾效應(yīng)都有很高的存在感。因此，對霍爾效應(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更加深入的研究提供基礎(chǔ)參考。

1  霍爾效應(yīng)原理簡析

霍爾效應(yīng)是在與磁場垂直的帶電導(dǎo)體中施加一個磁場，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)電動勢（電動勢方向通過左手定則確定）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，長方體半導(dǎo)體極板中電子水平方向運(yùn)動，與電流方向相反，由于垂直于該半導(dǎo)體的磁場B的作用，極板中的電子收到洛倫茲力fL的作用運(yùn)動軌跡發(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)電動勢EH，電子偏移的方向通過左手定則可以判斷，而感應(yīng)電動勢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傳輸?shù)碾娐分?，由于半?dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)度高，磁場穩(wěn)定，測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)用到高電壓測量以及電力電子技術(shù)等低電壓信號以及二次弱信號測量中。

2  霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用

由于霍爾效應(yīng)的特點(diǎn)，其在信號測量、控制以及保護(hù)等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本文將通過介紹霍爾傳感器、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。霍爾傳感器類型較多，可以測量位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、液位、電壓等各種參數(shù)，但其測量原理相同，都是通過電磁感應(yīng)原理，把磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枏亩M(jìn)行采集分析。因此本文主要通過對霍爾電壓傳感器以及位移傳感器的分析來對霍爾傳感器進(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)原理所制成的測量元器件。其一般通過內(nèi)置或外接限流電阻，將輸入電流限制在10mA以內(nèi)，以保證測量的安全性。該輸入電流經(jīng)過線圈繞組后經(jīng)過聚磁材料將其產(chǎn)生磁場被氣隙中的霍爾元件檢測到，通過電磁感應(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（被測電壓通過限流電阻產(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對副邊感應(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)過原邊線圈感應(yīng)出磁場B，經(jīng)過電磁感應(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)過差分放大器放大后的電流為IS，最后通過測量電阻RM后即可測量二次電壓UM。實(shí)際測量中再根據(jù)所測量的二次電壓UM通過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

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

同時，轉(zhuǎn)速、角度、壓力等都是通過該原理所制成。

2.4  優(yōu)缺點(diǎn)

通過實(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量原理簡單，測量范圍廣，測量精度高（利用差分放大器）等特點(diǎn)，另外通過分析可以發(fā)現(xiàn)其他特點(diǎn)：

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

（2）由于其利用電磁感應(yīng)原理，因此其對一二次電路進(jìn)行了隔離，在工業(yè)測量中安全性較高；

（3）另外霍爾傳感器還具有能夠測量任意波形、帶寬較寬、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長、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)?；魻栭_關(guān)是通過電磁感應(yīng)原理，通過測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小來制成的。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，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，二次電流檢測到之后開關(guān)內(nèi)部觸發(fā)器動作，從而進(jìn)行保護(hù)。利用這個特點(diǎn)不僅可以制成過流保護(hù)開關(guān)，還可以制成過壓、欠壓、欠流等各種類型保護(hù)開關(guān)。

霍爾開關(guān)具有無觸點(diǎn)、低功耗、長使用壽命、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程中。其原理為通過高溫使等離子氣體產(chǎn)生電離的同時對其進(jìn)行加速，使電離的電子高速通過磁場，從而由于洛倫茲力的作用，電子大量聚集在磁場中半導(dǎo)體極板的兩端，從而產(chǎn)生電勢差，當(dāng)電勢差達(dá)到一定程度時即可作為穩(wěn)定的電壓源向外界輸出電壓。

該裝置是通過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

霍爾效應(yīng)的應(yīng)用面十分廣泛，通過其電磁感應(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)今社會發(fā)展中有著至關(guān)重要的作用。通過上述對霍爾效應(yīng)原理的分析以及通過實(shí)際應(yīng)用對其進(jìn)行了更加深入的了解，我們可以從基礎(chǔ)上對其進(jìn)行一次全面的認(rèn)識，當(dāng)然其應(yīng)用范圍不限于此，隨著社會的發(fā)展，越來越多基于霍爾效應(yīng)的新功能新產(chǎn)品也會隨之出現(xiàn)。

在了解霍爾效應(yīng)的各種優(yōu)點(diǎn)的同時，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的影響，因此對于制造材料以及工藝的要求也極為嚴(yán)格，這無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

對霍爾效應(yīng)不斷研究的同時，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)家崔琦和美國物理學(xué)家勞克林、施特默在更強(qiáng)磁場下研究量子霍爾效應(yīng)時發(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，從而推動全行業(yè)的進(jìn)步。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html