霍尔效应 （电磁效应的一种）

发现

1879年，霍尔发现麦克斯韦关于磁场中载流导体的受力分析与当时人们考虑这一情形的推断存在矛盾，为了解决这个困惑，他使用铜箔作为导体并通电进行实验，在其导师罗兰教授的指导下，经过多次尝试，最终使用检流计在垂直于载流导体的方向上观察到电流的分布，证明了横向电流的存在。为了纪念霍尔的这一伟大发现，后人将其命名为霍尔效应。

理论解释

霍尔效应的原理可以从分析载流导体中的载流子在磁场中运动时的受力情况来理解。

如图所示，将载流导体置于方向垂直向上的磁场中，导体内部的电流方向为左向右。对于导体而言，载流子为可自由移动的电子，电子移动方向与电流方向相反，因此电子移动的方向为自右向左。

假设导体的横截面积为

相关应用

磁场测量

将霍尔元件做成探头用于特斯拉计测量磁场强度是磁场测量的一种主要方法。使用时将探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面要与磁场方向垂直，计算霍尔电动势，利用霍尔电动势与磁场的定量测量磁场。这种方法能够测量到0.1T量级的地磁场。

利用霍尔元件测量地磁场的能力，还可以制成磁罗盘，应用于人造卫星、船舶等装备中。

电流测量

由霍尔元件构成的电流传感器采用非接触式测量，具有测量精度高、不必切断电路电流、测量的频率范围广(从零到几千赫兹)、本身几乎不消耗功率等特点。根据安培定律，在载流导体周围将产生一正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到一正比于该磁场的霍尔电动势。通过测量霍尔电动势的大小来间接测量电流的大小。

位移测量

由霍尔效应可知，当控制电流恒定时，霍尔电动势与磁感应强度成正比，假设磁感应强度与位置呈正比关系，则霍尔电动势与位置的变化（位移）也呈正比关系。通过霍尔电动势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。当霍尔元件在磁场中移动时，输出霍尔电动势的变化就反映了霍尔元件的位移量，用上述原理可对位移进行测量，制成位移、压力、流量等传感器。

量子霍尔效应

1980年初，德国物理学家冯• 克利青（Klaus von Klitzing）在法国格勒诺勃的强磁场实验室，测量金属—氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的霍尔电阻。他们发现在极低温1.5K和强磁场18T作用下，在二维体系的霍尔效应实验中，发现了一个与经典霍尔效应完全不同的现象：MOSFET的霍尔电阻并不随磁场强度的增大按线性关系变化，而是作如右图所示的台阶式变化。该现象被称为量子霍尔效应（quantized Hall resistance，QHE）这种电阻被称为量子霍尔电阻，具有如下的公式形式：

量子霍尔效应是当代物理学一个重大发现，冯·克里青因此获得 1985 年的诺贝尔物理学奖。冯·克里青发现的量子霍尔效应也被称为整数量子霍尔效应，之后科学家们在研究量子霍尔效应又发现了分数量子霍尔效应和量子反常霍尔效应。其中，量子反常霍尔效应具有极高的应用前景。因其不需要外置高强度电磁，完全由材料本身自发磁化形成，可用于新一代低能耗晶体管和电子学器件，突破摩尔定律的瓶颈。