导电粒子的正负与霍尔效应
摘 要： 置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。
关键词： 导电粒子； 正负； 霍尔效应
中图分类号： O441 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）10-0085-01
霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔于1879年在研究金属的导电机制时发现的。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，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也称为霍尔电势差。形成电流的导电粒子的正负不同，在导体两个端面之间出现霍尔电势差情况也是不一样的。
一、金属导体电流
如果是金属导体，形成电流的是自由电子，如图1，当电流方向向右时，其实电子是向左定向运动的，受到的洛仑兹力向下，电子在运动中向金属导体的下端面聚集，上端面因失去电子而带正电，在上下两个端面上形成霍尔电压，出现U上下>0。
二、导电粒子为正粒子
如果参与导电的粒子为正粒子，则当电流向右流动时，正粒子受到洛仑兹力向下，正粒子在向右定向运动过程中向下偏转，下端面聚集正粒子而带正电，出现U上下<0。
三、电子和空穴
在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴），电子和空穴都被视为载流子。当电流方向向右时，N型半导体中的自由电子，是向左运动的，相当于金属导电，出现，U上下>0。而P型半导体中的空穴是向右运动，相当于导电的粒子为正粒子，会出现U上下<0。
四、霍尔效应的应用
（一）磁流体发电机
如图2向右喷入电离后的正负离子，形成向右的导电流体，正离子受洛仑兹力向上，正离子向上偏转并聚集，负离子受力向下而向下偏转聚集，U上下>0。只要满足Bqν=■q，就可以对用电器提供稳定的电压U=Bqv.
（二）电磁流量计
如图3为其截面为正方形的非磁性管，每边边长为d，导电液体向左流动，在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场，磁感应强度为B。现测得液体a、b两点间的电势差为U，可以求出管内导电液体的流量Q。因为导电液体经过磁场时，在洛仑兹力的作用下，正离子向下偏转，负离子向上偏转，在管内液体的上下表面之间，产生一个方向竖直向上的电场，当电势差U满足：■·q=qvB，解得导电液体的流速为v=■，得到导电液体的流量为：Q=v·d2=■。
（三）磁强计
磁强计的原理如图4所示，电路中有一段金属导体，它的横截面为边长等于a的正方形，放在沿x正方向的匀强磁场中，导体中通有沿y方向、电流强度为I的电流，已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子电量为e，金属导体导电过程中，自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动，测出导体上下两侧面间的电势差为U。磁场的磁感应强度是B=■。
五、本征半导体
在本征半导体中，电子数目等于空穴数目，加电压后导电时，电子和空穴都参与导电，且运动方向相反，受到的洛仑兹力方向相同，向同一侧偏转，不会产生电势差，不能作为霍尔元件。只有掺杂的P型（空穴型）半导体或者N型（电子型）半导体可以作为霍尔元件。
电解质溶液有霍尔效应吗？设溶液为NaCl溶液，磁场垂直纸面向里，溶液两端加电压形成从左至右的电流，那么钠离子向右定向运动，受到向上的洛伦兹力，向上偏转；氯离子会向左运动，受到向上的洛伦兹力也向上偏转，即正负电荷都向上运动而聚集在上表面，所以没有电势差，就不会有霍尔效应。只会出现上端面浓度大，下端面浓度小的情况，NaCl溶液不能作为霍尔元件。
所有的电解质溶液都没有霍尔效应吗？不一定。关于电解质溶液的霍尔效应的研究，具有重要的意义。为此复旦大学成立了课题组，对电解质溶液的霍尔效应进行专题研究，从理论方面来讲：溶液是化学反应的主要载体，而电解质是水溶液反应的主要物种。
通过完善电解质溶液中的霍尔效应的实验和理论研究，可以进一步研究离子在溶液中的动力学行为，因为离子在溶液中的动力学行为在其它很多问题中都有涉及。从应用方面来讲：实验证明，电解质溶液的霍尔效应与离子的种类、溶剂的种类、离子的浓度都有密切的关系，通过成熟的研究，有助于工业上（尤其是电化学工业）对反应过程的监控，并设计出基于溶液霍尔效应的新型霍尔器件。