霍尔效应

霍尔效应是横跨导体的电压差（霍尔电压）的产生，该电压差横向于导体中的电流和垂直于电流的外加磁场。 它是 Edwin Hall 于 1879 年发现的。

霍尔效应也可能发生在半导体或金属板中的空隙或孔中，当电流通过位于空隙或孔的边界或边缘的触点注入时，电荷流到空隙或孔之外，在 金属或半导体。 这种霍尔效应在电压触点的垂直施加磁场中变得可观察到，电压触点位于连接电流触点的线两侧的空隙边界上。 与简单连接样本中的标准普通霍尔效应相比，它表现出明显的符号反转，并且仅取决于从空隙中注入的电流。

霍尔效应也可以实现叠加：首先想象标准霍尔配置，一个简单连接的（无空隙）薄矩形均匀霍尔板，在（外部）边界上具有电流和电压触点，它在垂直方向上产生霍尔电压 磁场。 接下来，想象在这个标准霍尔配置中放置一个矩形空隙或孔，如上所述，在空隙的内部边界上具有电流和电压触点。 为简单起见，在标准霍尔配置中，空隙边界上的电流触点可以与外部边界上的电流触点对齐。 在这样的配置中，可以在同一个双连接设备中同时实现和观察到两个霍尔效应：外边界上的霍尔效应与仅通过外边界注入的电流成正比，而明显的符号反转 内部边界上的霍尔效应与仅通过内部边界注入的电流成正比。 多个霍尔效应的叠加可以通过在霍尔元件内放置多个空隙来实现，电流和电压触点位于每个空隙的边界上。

霍尔系数定义为感应电场与电流密度和外加磁场的乘积之比。 它是制造导体的材料的一个特性，因为它的值取决于构成电流的电荷载流子的类型、数量和特性。

为清楚起见，原始效果有时被称为普通霍尔效应，以区别于其他霍尔效应，后者可能具有额外的物理机制，但建立在这些基础之上。

现代电磁学理论由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 在论文《物理力线》(On Physical Lines of Force) 中系统化，该论文于 1861 年至 1862 年间分四部分发表。虽然麦克斯韦的论文为电磁理论奠定了坚实的数学基础，但详细的机制 该理论仍在探索中。 其中一个问题是关于磁铁和电流之间相互作用的细节，包括磁场是与导体相互作用还是与电流本身相互作用。 1879 年，埃德温·霍尔 (Edwin Hall) 在马里兰州巴尔的摩的约翰霍普金斯大学攻读博士学位时，正在探索这种相互作用，并发现了霍尔效应。 在电子被发现之前的 18 年，他对所用仪器产生的微小效应的测量是一项实验杰作，并以“关于磁体对电流的新作用”的名义发表。

霍尔效应是由于导体中电流的性质造成的。 电流由许多小电荷载流子的运动组成，通常是电子、空穴、离子（参见电迁移）或三者兼而有之。 当存在磁场时，这些电荷会受到一种力，称为洛伦兹力。 当没有这样的磁场时，电荷在与杂质、声子等的碰撞之间大致沿着直线路径运动。但是，当施加具有垂直分量的磁场时，它们在碰撞之间的路径是弯曲的，因此移动的电荷会聚集在一个面上 的材料。 这使得等量和相反的电荷暴露在另一面，那里缺乏移动电荷。 结果是霍尔元件上的电荷密度分布不对称，这是由垂直于直线路径和施加的磁场的力引起的。 电荷的分离建立了一个电场来阻止电荷的进一步迁移，因此只要电荷在流动，就会建立一个稳定的电势。

在经典电磁学中，电子沿电流 I 的相反方向移动（按照惯例，电流描述了理论空穴流）。 在某些金属和半导体中，似乎空穴实际上在流动，因为电压方向与下面的推导相反。