Question

【題目】利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件以及傳感器，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。如圖所示，將一金屬或半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場(chǎng)B中，在薄片的兩個(gè)側(cè)面a、b間通以電流I時(shí)，另外兩側(cè)c、f間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。其原因是薄片中的移動(dòng)電荷受洛倫茲力的作用向一側(cè)偏轉(zhuǎn)和積累，于是c、f間建立起電場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差。當(dāng)電荷所受的電場(chǎng)力與洛倫茲力處處相等時(shí)，和達(dá)到穩(wěn)定值，的大小與I和B以及霍爾元件厚度d之間滿足關(guān)系式，其中比例系數(shù)稱為霍爾系數(shù)，僅與材料性質(zhì)有關(guān)

(1)設(shè)半導(dǎo)體薄片的寬度（c、f間距）為l，請(qǐng)寫出和的關(guān)系式；若半導(dǎo)體材料是由電子導(dǎo)電的，請(qǐng)判斷圖中c、f哪端的電勢(shì)高；

(2)已知半導(dǎo)體薄片內(nèi)單位體積中導(dǎo)電的電子數(shù)為n，電子的電荷量為e，請(qǐng)推導(dǎo)出霍爾系數(shù)的表達(dá)式；（通過橫截面積S的電流，其中v是導(dǎo)電電子定向移動(dòng)的平均速率）

(3)圖一是霍爾測(cè)速儀的示意圖，將非磁性圓盤固定在轉(zhuǎn)軸上，圓盤的周邊等距離地嵌裝著m個(gè)永磁體，相鄰永磁體的極性相反�；魻栐�件置于被測(cè)圓盤的邊緣附近。當(dāng)圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件輸出的電壓脈沖信號(hào)圖像如圖二所示：

①若在時(shí)間t內(nèi)，霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P，請(qǐng)導(dǎo)出圓盤轉(zhuǎn)速N的表達(dá)式；

②利用霍爾測(cè)速儀可以測(cè)量汽車行駛的里程.除此之外，請(qǐng)你展開“智慧的翅膀”，提出另一個(gè)實(shí)例或設(shè)想。

Answer 1

【答案】(1) c端電勢(shì)高；(2)；(3)①； ②提出的實(shí)例或設(shè)想合理即可。

【解析】

(1)根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差的關(guān)系可知

由左手定則可知電子向f端偏轉(zhuǎn)，故f端電勢(shì)低，c端電勢(shì)高；

(2)由可得

當(dāng)電場(chǎng)力與洛倫茲力相等時(shí)，有

所以

又

故可得

；

(3)①由于在時(shí)間t內(nèi)，霍爾元件輸出的脈沖數(shù)目為P，則有

故圓盤轉(zhuǎn)速為

；

②電動(dòng)自行車上的電動(dòng)助力。（提出的實(shí)例或設(shè)想合理即可）