2021-2022学年高二物理竞赛课件：霍尔（Hall）效应.pptx

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1、霍尔霍尔（HallHall）效应效应2霍 耳 效 应霍尔霍尔（HallHall）效应效应由于洛仑兹力作用，处于磁场中的载流导体由于洛仑兹力作用，处于磁场中的载流导体内部产生一内部产生一横向电场横向电场和和横向电压横向电压的现象。的现象。1)1)现象现象：3n纵向磁约束：纵向磁约束：带电粒子会像光在两面镜子间来回反射带电粒子会像光在两面镜子间来回反射那样，被限制在两磁镜之间的范围内。那样，被限制在两磁镜之间的范围内。磁场由弱到强的配置称为磁镜。磁场由弱到强的配置称为磁镜。磁镜磁镜磁镜磁镜带电粒子带电粒子4 在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空在地磁两极附近，由于磁感线与地面垂直，外层空间

2、入射的带电粒子可直接射入高空大气层内，它们和间入射的带电粒子可直接射入高空大气层内，它们和空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光。空气分子的碰撞产生的辐射就形成了极光。绚丽多彩的极光绚丽多彩的极光5在霍尔效应中，霍尔电阻与在霍尔效应中，霍尔电阻与 B B 成正比。成正比。I IB Bb bd dv v+q qf f+-U UH H霍尔电阻：霍尔电阻：霍尔电压霍尔电压2)2)实验规律实验规律：RH霍耳系数，由材料性质决定。霍耳系数，由材料性质决定。3)3)理论解释：理论解释：6霍尔器件：霍尔器件：检测载流子、测弱磁场等。检测载流子、测弱磁场等。【思考思考】载流子换成电子，载流子换成电子，UH的方向

3、？的方向？IBv-e+-f与正载流子情况相比，与正载流子情况相比，UH反向！反向！74)4)霍耳效应的应用霍耳效应的应用(2)(2)测量测量n n，研究半导体载流子的浓度。，研究半导体载流子的浓度。(1(1)判断半导体的类型判断半导体的类型I I+-P P 型半导体型半导体+-+-N N 型半导体型半导体-I I+-霍耳电压霍耳电压8KMNR(4)(4)磁流体发电磁流体发电基本原理示意图基本原理示意图 高温高速的等离子气体高温高速的等离子气体 垂直于气流的方垂直于气流的方向上加有磁场向上加有磁场 电极上获得连续输电极上获得连续输出的电能出的电能 导导电电管管霍霍耳耳电电势势差差(3)(3)测量

4、磁场（测量磁场（高斯计）高斯计）霍耳电压霍耳电压9用电场使电子局限于半导体表面，形成二维电子气用电场使电子局限于半导体表面，形成二维电子气 。霍尔电阻量子化：霍尔电阻量子化：量子霍尔效应量子霍尔效应 2 2 条件条件1 1）低温（低温（KK）2 2）强磁场强磁场（10T10T）1 1发现发现19801980年，德国物理学家冯年，德国物理学家冯克利青克利青（K.Von.KlitzingK.Von.Klitzing）从金属从金属氧化物半导体场效应氧化物半导体场效应管中发现了管中发现了量子霍耳效应量子霍耳效应（1985Nobel 1985Nobel PrizePrize）（一）整数量子霍耳效应（一）

5、整数量子霍耳效应10量子霍尔效应曲线量子霍尔效应曲线BRH234经典霍经典霍尔电阻尔电阻11m磁磁场场变变化化时时霍霍尔尔电电阻阻以台阶形式变化以台阶形式变化m台台阶阶高高度度等等于于物物理理常常数数h/e2 除除以以整整数数n。h/e2 25k。m下下面面带带峰峰的的曲曲线线表表示示欧欧姆姆电电阻阻，在在每每个个平平台处趋于消失台处趋于消失。234量子霍尔效应量子霍尔效应12 分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应1 1发现发现2 2 条件条件1 1）更低温度）更低温度2 2）更强磁场）更强磁场，3 3表达式表达式崔琦崔琦19981998诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应崔琦崔琦（D.C.TsuiD.C.Tsui）和施特默）和施特默19821982年发现分数量子霍尔效年发现分数量子霍尔效应应 (1998Nobel Prize)1998Nobel Prize)131/32/513 20.1K分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应 崔琦和施特默崔琦和施特默1982 1998Nobel Prize1419981998年诺贝尔物理学奖获得者之年诺贝尔物理学奖获得者之崔琦崔琦美籍华人美籍华人Daniel C.TsuiDaniel C.Tsui1939 1939 生于河南生于河南分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应