霍尔式传感器的结构工作原理（什么是霍尔效应）

想来，大家对霍尔传感器或霍尔器件这个名称都有所耳闻。霍尔器件的应用与我们的日常生活也息息相关，例如电动车转动把手上就有霍尔器件。转动把手，通过霍尔器件将磁信号转换为电信号，并传送给控制器，进而控制电动车的电机转速。再如霍尔传感式钳形电流表、汽车开关电路上的功率霍尔电路……

霍尔器件的工作原理就是霍尔效应，那么，什么是霍尔效应？

想要了解霍尔效应，就得先了解电磁效应中的洛伦兹力、电流与电压的含义。接下来我将给大家一一讲解以上内容。

一、电流与电压

电荷可以激发电场，并对置于电场中的其他电荷产生电场力的作用，类似于地球周围的重力场可以对人产生重力作用。电荷量越大，电场越强，相同距离间的电场力作用就越明显，这个作用就是电压，如下图1-1所示。

图1-1

也就是说，电压越大，表明电场越强，对电荷的作用力就越大。又因为，导体中存在大量自由电子（负电荷），所以，若给导体施加电压，就相当于在导体内部施加了个强电场，在这个强电场的作用力下，导体内部的自由电子因受到力的作用发生定向移动，这就是电流。且电压越大，电场越强，受到电场力发生移动的电荷（自由电子）就越多，电流就越大。换言之，电流一方面表明了电荷的定向移动，一方面又表示了移动的电荷量（单位时间通过导体截面的电荷量）。

另外，电场方向为电压正极指向电压负极，或者说，电场方向为正电荷指向负电荷。由于电荷之间同性相斥，异性相吸，若正电荷处于电场中，就会受到电场力从电压正极跑向负极，这个跑向就是电流正方向，所以把电流从电压正极流向负极的这种方向关系称为关联参考方向。

了解了电压与电流的含义后，我们继续讲解洛伦兹力。

二、洛伦兹力

洛伦兹力属于电磁力的一种。电磁力包括宏观上的安培力以及微观上的洛伦兹力。所谓电磁力，是指通电导体或运动电荷处于磁场中时，会受到磁场的作用力。因为通电导体本质是其内部电荷的定向移动，大量运动电荷，每个运动电荷都受到洛伦兹力的作用，在宏观上就表现为导体所受到的安培力（各个洛伦兹力的合力）。

洛伦兹力的方向判断用左手定则，如下图1-2所示，磁力线从掌心穿过，四指指向正电荷的运动方向（即电流正方向），拇指指向即为洛伦兹力方向，在这个力的作用下，正电荷的运动将发生偏转。

图1-2

图1-2中的“×”表示磁力线方向为垂直于纸面往里。显然，若运动电荷带负电，四指指向将相反（因为负电荷的运动方向与电流正方向相反），根据左手定则，可以发现，同一磁场中，正、负电荷所受到的洛伦兹力方向相反。毫无疑问，磁场越强，运动电荷所受到的洛伦兹力就越大。

已知电压电流与洛伦兹力的含义，那么我们对霍尔效应的理解就会显得尤为简单。

三、霍尔效应

霍尔效应由物理学家霍尔发现，简单来说就是给半导体通电并将其置于磁场中，该半导体将会产生另一个电压。详细内容如下。

给一半导体通电，将有电流流过，如下图1-3所示，电流由自由电子定向移动形成。

图1-3

将磁体靠近通电的半导体，此时半导体处于磁场中，如下图1-4所示。显然，半导体中定向移动的自由电子就会受到洛伦兹力的作用发生偏转。根据左手定则，磁力线从上往下穿过半导体，电子运动方向为四指反方向，得拇指为电子偏转方向。

图1-4

另外，在半导体中，电荷除了自由电子外，还有失去电子的空穴（或者说离子，带正电），它们带有等量异性电荷，分别处于半导体两侧，如下图1-5所示。由于异性电荷分别聚集在半导体两侧，这就会在半导体内部形成内电场，即正负电荷之间的空间存在电场。

图1-5

电场的建立，相当于有了电压的存在，此时用电压表测半导体两侧，必然会有具体电压值，这个电压被称为霍尔电压或霍尔电势差。

另外，图1-5中的电子依然是保持运动的，只不过其运动轨迹由直线变成弧线。

结合上文说言的洛伦兹力，磁场越强，所能束缚的运动电荷就越多，那么半导体两侧聚集的异性电荷就越多，所建立的内电场就越强，即两侧的电压越大。

所以，改变磁场的强弱，就可以改变半导体两侧的霍尔电压，这就是霍尔器件的工作原理，你明白了吗？

回到前文的电动车把手，把手转动部分装有磁体，固定部分装有霍尔元件，转动把手，就相当于改变磁体与霍尔元件的相对位置，对于霍尔元件来说，其周围的磁场发生改变，所以输出电压也就改变！