回旋加速器、质谱仪、速度选择器、霍尔效应原理应用之磁流体发电机、电磁流量计、磁强计、霍尔器件，它们的原理都是以洛伦兹力与电场力作为力源的磁电式仪表，物理模型都是：以电场和磁场构成的重叠复合场中带电粒子轨迹的测控。以洛伦兹力与电场力作为力源的磁电式仪表在3+X理综卷中年年出现，题型特点是富于现代生活气息，体现物理走向社会的新课程改革的思想，强调学科综合应用的能力导向。本文从物理原理上分析霍尔效应。
一、霍尔效应的概念：霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时首先发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。
二、霍尔效应的原理：模型图如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U=kIBd，式中的比例系数k称为霍尔系数。霍尔效应也可解释为:外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力。当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间会形成稳定的电势差。
三、霍尔效应的论证：以金属导体为例，结合上面的模型图中电流方向，自由电子的运动方向自右向左，受到洛伦兹力作用而偏向上侧面A，正点电荷受到洛伦兹力作用而偏向下侧面A′，上下表面形成电势差U。当达到动态稳定后，电子受到的电场力和洛伦兹力平衡，Bqv=Uhq，故霍尔电压U=Bvh，式中v表示电子的定向移动的平均速率。又电流强度的微观表达式I=nqSv，S=dh，联立得U=1nqIBd。实验表明，当磁场不太强时，U=kIBd，这里的k称为霍尔系数，即k=1nq。
磁场中的导体并非都能产生霍尔效应。能产生霍尔效应的导体：金属导体（自由电子导电）、半导体(P型的空穴导电、N型的电子导电)、等离子体（正负离子导电）。电解液不能产生霍尔效应。
四、霍尔效应的应用：1.测量载流子浓度：根据霍尔电压产生的公式，以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度，这种方式被广泛地应用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上；2.测量磁感应强度；3.测量电流强度；4.作为传感器，测量微小位移、压力传感器、霍尔加速度传感器等。霍尔效应现广泛应用于半导体材料的测试和研究之中。
六、霍尔效应的考题：
例题：如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为：U=KIBd，式中的比例系数K称为霍尔系数。
霍尔效应可解释如下：受外部磁场的洛伦兹力运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。
设电流I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电荷量为e，回答下列问题：
（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面A′的电势（填“高于”、“低于”或“等于”）
（2）电子所受的洛伦兹力的大小为。
（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为。
（4）由静电力和洛伦兹力平衡的条件，证明霍尔系数为K=1ne，其中h代表导体板单位体积中电子的个数。
答案：（1）低于；（2）evB；（3）eUh(或evB)
（4）电子受到横向静电力与洛仑兹力的作用，两力平衡，有
eUh=evB得U=hvB
通过导体的电流密度I=nev•d•h
由U=KIBd，有hvB=K•nevB•d•hd
得K=1ne
点评：本题体现了高考“依据中学教学大纲，但又不拘泥于大纲”的命题原则，新课程大纲新增的许多知识点更有利于试题的情景与生活实际、科技应用、近现代物理知识相联系。
(作者单位：湖北省孝感市英才外国语学校)
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