电可以生磁。磁可以影响电。霍尔效应讲了这个事情。通电的导体放在磁场里。导体内部会产生电压。这个电压是横向的。垂直于电流方向。垂直于磁场方向。这个现象叫霍尔效应。

一百多年前霍尔发现了它。霍尔是美国物理学家。他研究金属的导电性质。他想知道磁铁会不会影响电流。他用一片金箔做实验。金箔通上直流电。他把磁铁放在金箔旁边。他用仪表测量金箔两侧。他发现电压出现了。这个电压很小。但确实存在。磁场改变方向。电压也跟着反向。电流改变方向。电压也反向。这个发现很重要。人们用他的名字命名。

这个现象有基本原理。导体里有自由电子。电子带负电。通电时电子定向运动。形成电流。不加磁场时电子直线前进。加上磁场情况变了。磁场对运动电荷有力量。这个力量叫洛伦兹力。电子运动方向改变。电子向导体一侧偏转。正电荷留在另一侧。导体两侧电荷堆积。一边多电子带负电。一边少电子显正电。这样产生了电压。这个电压叫霍尔电压。

霍尔电压可以计算。它和几个量有关系。电流越大电压越大。磁场越强电压越大。导体厚度影响电压。导体薄电压大。材料和电压有关系。不同材料不一样。公式很简单。电压等于一个常数乘电流乘磁场除以厚度。那个常数叫霍尔系数。霍尔系数反映材料性质。金属的霍尔系数是负的。因为电子带负电。半导体的系数可正可负。看载流子是什么。空穴导电系数是正的。电子导电系数是负的。

生活中能看到霍尔效应。汽车里用到它。汽车有车速传感器。轮子转动带动齿轮。齿轮齿经过传感器。传感器里有磁铁和芯片。齿轮转动改变磁场。芯片产生霍尔电压。电压变成脉冲信号。电脑知道车轮转多快。电动自行车也用。转把里有霍尔元件。转动转把改变磁场。霍尔电压变化。控制器知道你要加速。电机就转得快。

手机也用到它。翻盖手机有霍尔开关。盖子里有小磁铁。机身里有霍尔元件。合上盖子磁铁靠近。霍尔电压变化。手机知道要关屏幕。打开盖子磁铁远离。手机点亮屏幕。笔记本电脑也一样。合上盖子电脑睡眠。省电又方便。

工业测量大量使用。测量电流可以用它。导线通电产生磁场。霍尔元件测磁场大小。算出电流多大。这样不切断电路。安全又方便。测量位置也用。机器手臂要知道位置。磁铁装在活动部件。霍尔元件固定安装。部件移动磁场变。电压告诉控制器位置。精确控制机器动作。

科学研究更需要它。半导体研究靠它帮忙。测霍尔系数知道材料类型。是N型还是P型。知道载流子浓度多大。知道迁移率高低。这些对造芯片很重要。量子霍尔效应更神奇。在极低温和强磁场下。霍尔电压出现台阶。台阶高度是固定值。只和基本物理常数有关。这个发现得了诺贝尔奖。它重新定义电阻标准。它帮助研究拓扑绝缘体。这是前沿物理领域。

学习物理可以动手做。找一块小磁铁。找一片薄金属片。电池接出两根线。让电流通过金属片。万用表测两侧电压。磁铁靠近金属片。表针应该会摆动。改变磁铁方向。表针反向摆动。这个实验很简单。你能亲眼看到现象。

霍尔效应是基础物理。它连接电和磁。它从发现到应用。走了一百多年。它还在发展。新材料带来新现象。高温超导体有反常霍尔效应。磁性材料有自旋霍尔效应。科学家不断探索。技术不断进步。小到手机开关。大到电阻标准。霍尔效应就在身边。它很基础。它很有用。它还在帮助我们认识世界。