解题思路:先根据无限长直线电流产生的磁感应强度的公式,以及矢量合成的方法,求出半导体所在处的磁感应强度,然后结合霍尔效应的相关公式,即可求得此半导体片的左右两个侧面之间的电势差.
考察导线排M1M2中的电流产生的磁场,取x轴与导线排M1M2重合,y轴与导线排M1M2垂直,如图1所示.位于x轴x+△x(△x为小量)之间的细导线可以看作是“一根”通有电流D1△x的长直导线,它在y轴上P点产生的磁感应强度的大小为 △B=k
Iλ△x
r ①
r为P点到此直长导线的距离,△B的方向与r垂直,与电流构成右手螺旋,将△B分解成沿x方向和y方向的两个分量△Bx和△By,有
△Bx=k
Iλ△x
rcosθ ②
△By=k
Iλ△x
rsinθ ③
根据对称性,位于-x到-(x+△x)之间的细导线中电流产生的磁感应强度在y方向的分量与△By大小相等、方向相反,可见整个导线排中所有电流产生的磁场在y方向的合磁场为0.由图1可看出
[△xcosθ/r=△θ④
把④式代入②式得△Bx=kD1△θ ⑤
导线排上所有电流产生的磁感应强度
B=∑△Bx=∑kIλ△θ ⑥
注意到,得B=kπλl ⑦
即每个导线排中所有电流产生的磁场是匀强磁场,磁场的方向分别与M1M2和M3M4导线排平行,如图2所示,两导线排中电流产生的磁感应强度B(M1M2)与B(M3M4)成120°,它们的合磁场的磁感应强度的大小
B0=2Bcos60°=kπλl ⑧
方向与OO′平行,由O指向O′.
2.半导体片左右两侧面间的电势差
当半导体片中通有均匀电流I0时,半导体片中的载流子作定向运动,N型半导体的载流子带负电荷,故其速度v的方向与I0方向相反,垂直纸面向里,且有
I0=nqvS ⑨式中S为半导体片横截面的面积
S=
.
ab•l ⑩
载流子作定向运动时要受到磁场洛伦兹力fB的作用,其大小为
fB=qvB0(11)
对带负电荷的载流子此力的方向指向左侧,于是负电荷积聚在左侧面上,从而左侧面带负电,右侧面带正电,两侧面间出现电势差U=U右-U左.带负电荷的载流子受到静电力fE由左侧面指向右侧面,达到稳定时,fE与fB平衡,即
fE=
U
.
ab•q=fB (12)
由⑧、⑨、⑩、(11)、(12)各式得
U=k
πλI•I0
nql]
答:此半导体片的左右两个侧面之间的电势差为
kπλI•I0
nql.
点评:
本题考点: 通电直导线和通电线圈周围磁场的方向.
考点点评: 该题考查无限长直线电流产生的磁感应强度的公式,以及矢量合成的方法,以及霍尔效应等知识点,属于高中物理竞赛的知识点与题目.题目的难度大.