Question

（18分）

       利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器，广泛应用于测量和自动控制等领域。

       如图1，将一金属或半导体薄片垂直置于磁场B中，在薄片的两个侧面a、b间通以电流I时，另外两侧c、f间产生电势差，这一现象称为霍尔效应。其原因是薄片中的移动电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累，于是c、f间建立起电场E_H，同时产生霍尔电势差U_H。当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时，E_H和U_H达到稳定值，U_H的大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式U_H＝R_H，其中比例系数R_H称为霍尔系数，仅与材料性质有关。

       （1）设半导体薄片的宽度（c、f间距）为l，请写出U_H和E_H的关系式;若半导体材料是电子导电的，请判断图1中c、f哪端的电势高;[

       （2）已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为n，电子的电荷量为e，请导出霍尔系数R_H的表达式。（通过横截面积S的电流I＝nevS，其中v是导电电子定向移动的平均速率）;

       （3）图2是霍尔测速仪的示意图，将非磁性圆盘固定在转轴上，圆盘的周边等距离地嵌装着m个永磁体，相邻永磁体的极性相反。霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近。当圆盘匀速转动时，霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图3所示。

       a.若在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P，请导出圆盘转速N的表达式。

       b.利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程。除此之外，请你展开“智慧的翅膀”，提出另一个实例或设想。

 

Answer 1

【答案】

（1）；     c端电势高

（2）         

（3）a.          

     b.提出的实例或设想合理即可

 

【解析】（1）；     c端电势高

（2）由               ①

得            ②

当电场力与洛伦兹力相等时      

得                                        ③

又                                           ④

将③、④带入②

得                            

（3）a.由于在时间t内，霍尔元件输出的脉冲数目为P，则

                                         

圆盘转速为           

     b.提出的实例或设想合理即可