霍爾效應(yīng)簡介及其應(yīng)用
什么是霍爾效應(yīng)?
霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時,在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差,這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。
霍爾效應(yīng)的本質(zhì)
固體材料中的載流子在外加磁場中運動時,因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發(fā)生偏移,并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累,形成垂直于電流方向的電場,最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡,從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示:參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負電的電子,還有帶正電的空穴。
霍爾效應(yīng)的應(yīng)用
霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要?;魻柊l(fā)現(xiàn),如果對位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個電壓(Iv),該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向,那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會產(chǎn)生另一個電壓(UH),人們將這個電壓叫做霍爾電壓,產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。好比一條路, 本來大家是均勻的分布在路面上, 往前移動. 當(dāng)有磁場時, 大家可能會被推到靠路的右邊行走. 故路 (導(dǎo)體) 的兩側(cè), 就會產(chǎn)生電壓差. 這個就叫“霍爾效應(yīng)”。根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件,就是以磁場為工作媒體,將物體的運動參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出,使之具備傳感和開關(guān)的功能。
訖今為止,已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有:在分電器上作信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān),等等。
例如汽車點火系統(tǒng),設(shè)計者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷電器,用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓,控制電控單元(ECU)的初級電流。相對于機械斷電器而言,霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護,能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,還能精確地控制點火正時,能夠較大幅度提高發(fā)動機的性能,具有明顯的優(yōu)勢。
用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路,具有抑制電磁干擾的作用。許多人都知道,轎車的自動化程度越高,微電子電路越多,就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件,尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機和雨刮器電機在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流,使機械式開關(guān)觸點產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。
霍爾器件通過檢測磁場變化,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯捎糜诒O(jiān)視和測量汽車各部件運行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等,并可將這些變量進行二次變換;可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?;魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口,可實現(xiàn)自動檢測。目前的霍爾器件都可承受一定的振動,可在零下40攝氏度到零上150攝氏度范圍內(nèi)工作,全部密封不受水油污染,完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。
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