Эффект холла кратко: Эффект Холла и его применение

Что такое эффект Холла и где он применим?

Американский ученый Эдвин Холл в 1879 году обнаружил, что в помещенном в магнитное поле  проводнике возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном току I и вектору магнитной индукции В. Данный эффект возник вследствие воздействия силы Лоренца на заряды, движущиеся в этом проводнике.

На рисунке ниже изображена тонкая пластина, пронизываемая магнитным полем с индукцией В, направленным перпендикулярно чертежу, причем линии индукции направлены от зрителя и уходят за чертеж (показаны крестиком):

За направление тока I принимают направление движения положительных зарядов, для которых направление вектора скорости V и тока I совпадают (рисунок а)). У зарядов отрицательных векторы тока и скорости направлены в противоположные стороны (рисунок б)).  Применив правило левой руки легко убедиться в том, что сила Лоренца в обоих случаях будет направлена к верхней (на рисунке) грани пластины.

Эффект Холла наблюдается у полупроводников и металлов. У полупроводников n – типа, а также у металлов, где носителями зарядов являются электроны, на верхней части пластины будет накапливаться избыточный отрицательный заряд, а нижняя грань будет испытывать недостаток электронов и зарядится положительно, как показано на рисунке ниже (а)):

Результатом этого становится возникновение разницы потенциалов между верхней и нижней гранями проводника U_н.

У полупроводников p – типа, носителями заряда которых являются положительно заряженные дырки, верхняя грань (рисунок выше) приобретает в магнитном поле положительный заряд, а нижняя – отрицательный (рисунок б)). При исследовании распределения зарядов можно определить характер проводимости (электронный или дырочный) полупроводника. Также в процессе изучения эффекта Холла было обнаружено, что некоторые металлы обладают смешанной электронно – дырочной проводимостью. У таких металлов, из — за того, что дырки обладают большей подвижностью, распределение зарядов между верхней и нижней гранями будет такое же, как и у полупроводников p – типа.

Поскольку вектор тока I перпендикулярен скорости V перемещения зарядов и магнитному полю В, то выражение для сила Лоренца будет иметь вид:

Заряды, которые скапливаются на нижней и верхней гранях пластины, создают электрическое поле напряженностью Е, которое будет воздействовать на заряды с силой:

Когда устанавливается стационарное распределение зарядов в поперечном сечении проводника, эти две силы уравновешивают друг друга, то есть F_л = F_эл, поэтому:

Из формулы плотности тока:

Где: q – заряд частицы, n – количество частиц на единицу объема, V – скорость их движения.

Найдем скорость:

Подставим это выражение в формулу (1):

Разность потенциалов между нижней и верхней гранью с расстоянием между ними d, будет равно:

Коэффициент пропорциональности в этой формуле:

Так же его еще называют постоянной Холла. Уравнение (3) примет вид:

Можно сделать вывод, что разность потенциалов между гранями проводника прямо пропорциональна толщине проводящей пластины d, магнитной индукции В и плотности тока j.

Для любопытных видео о датчиках Холла:

Что такое эффект Холла-полное описание

Эффектом Холла называют явление возникновения поперечных разностей потенциалов (также называемых холловским напряжением) при помещении проводников с постоянным током в магнитные поля.

Если в магнитном поле с определенной индукцией разместить электронный полупроводник или проводник, по проводнику пустить электрический ток определенной плотности, то на электроны, которые передвигаются с конкретной скоростью в магнитных полях, будет действовать сила Лоренца, отклоняя их в определенную сторону.

Магнетосопротивление

Эдвин Холл проводил исследования в надежде обнаружить повышение сопротивления проводника в магнитных полях, но в слабом поле не зарегистрировал его.

Магнетосопротивление не следует из теории металлов Друде. Однако при более строгом расчёте и в сильном поле магнетосопротивление достаточно хорошо проявляется.

Квантовый эффект Холла

В сильном магнитном поле в плоских проводниках (то есть в квазидвумерных электронных газах) в системе начинает сказываться квантовый эффект, что приводит к проявлению квантового эффект Холла — квантованию холловского сопротивления.

В сильном магнитном поле появляется дробный квантовый эффект Холла, с которым связана кардинальная перестройка внутренней структуры двумерных электронных жидкостей.

Аномальный эффект Холла

Пример возникновения напряжения в образцах, перпендикулярного направлению пропускаемых токов через образец, наблюдающегося в отсутствие приложенных постоянных магнитных полей. Явление полностью совпадает с эффектом Холла, но наблюдается без внешних постоянных магнитных полей.

Для наблюдения аномального эффекта необходимо нарушение инвариантности в отношении обращения времени в системе. Аномальный эффект Холла нередко наблюдаться в образце с намагниченностью.

Спиновый эффект Холла

В случаях отсутствия магнитных полей в немагнитном проводнике могут наблюдаться отклонения носителя тока в разные стороны с противоположным направлением спинов перпендикулярно электрическим полям.

Подобное явление получило определение спинового эффекта Холла, было предсказано теоретически Перелем и Дьяконовым в 1971 году. Говорят о внешних и внутренних спиновых эффектах. Внешние связаны со спин-зависимым рассеянием, а внутренние — со спин-орбитальным взаимодействием.

Применение

Датчики Холла используются для измерения силы постоянного тока в проводниках.

Эффект Холла допускает определение концентрации и подвижности носителей зарядов, а в некоторых случаях и типы носителей зарядов (дырки или электроны) в металлах или полупроводниках, что делает его хорошим методом изучения свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работает датчик Холла — прибор, измеряющий напряжённость магнитных полей. карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

Понятие и применение эффекта Холла

Добавлено 21 декабря 2015 в 08:00

Сохранить или поделиться

Эффект Холла был обнаружен Эдвином Холлом в 1879 году, но прошло много лет, прежде чем технологическое развитие позволило интегральным схемам в полной мере воспользоваться этим явлением. Сегодня микросхемы датчика Холла предлагают удобный способ для достижения точных измерений тока, которые обеспечивают электрическую изоляцию между путем измеряемого тока и измерительной цепью.

От Лоренца к Холлу

Эффект Холла является продолжением силы Лоренца, которая описывает силу, действующую на заряженные частицы – такие как электрон – движущиеся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено перпендикулярно направлению движения электронов, на электрон действует сила, которая перпендикулярна и направлению движения, и направлению магнитного поля.

Эффект Холла относится к ситуации, в которой сила Лоренца действует на электроны, движущиеся в проводнике, так что разница потенциалов – или другими словами, напряжение – возникает между двумя сторонами проводника.

Следует отметить, что стрелки на втором рисунке показывают направления протекания обычного тока, а это означает, что электроны двигаются в противоположном направлении. Направление силы Лоренца определяется правилом правой руки, учитывающим направление движения электрона относительно магнитного поля. На первом рисунке электрон движется вправо, а сила Лоренца направлена вверх. На втором рисунке электроны движутся влево, а сила Лоренца направлена вниз, и, таким образом, отрицательный заряд накапливается на нижней стороне проводника. Результатом является разность потенциалом, которая возникает между верхней и нижней кромками проводника, с верхним краем более положительным по сравнению с нижним. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла:

\[U_{Холл}=-\frac{IB}{eρt}\]

Эта формула, которая применяется к токопроводящей пластине, говорит нам, что напряжение Холла зависит от величины тока (I), протекающего через проводник, от магнитной индукции (B), от элементарного заряда электрона (e), количества электронов в единице объема (ρ) и от толщины пластины (t).

Использование эффекта Холла

Напряжения, генерируемые с помощью эффекта Холла малы по отношению к воздействиям шума, смещения и температуры, которые, как правило, влияют на схему, и, таким образом, реальные датчики на основе эффекта Холла не были широко распространены до появления полупроводниковой технологии, позволившей создание компонентов с высокой степенью интеграции, которые включали в себя и элемент Холла, и дополнительную схему, необходимую для усиления напряжения Холла. Тем не менее, датчики на основе эффекта Холла ограничены в своей способности измерять небольшие токи. Например, чувствительность ACS712 от Allegro MicroSystems составляет 185 мВ/А. Это означает, что ток 10 мА создаст выходное напряжение только 1,85 мВ. Это напряжение может быть приемлемым, если у схемы низкий уровень шума, но, если в цепь протекания тока включить резистор 2 Ом, в результате можно получить напряжение 20 мВ, что значительно лучше.

Эффект Холла используется в различных датчиках; устройства, основанные на относительно простой связи между током, магнитным полем и напряжением, могут использоваться для измерения положения, скорости и напряженности магнитного поля. В данной статье мы сосредоточим внимание на устройствах, которые измеряют ток через напряжение Холла, генерируемое, когда магнитное поле, создаваемое измеряемым током, концентрируется в элементе датчика Холла.

Достоинства и недостатки

Характеристики у разных датчиков тока на основе эффекта Холла сильно отличаются, поэтому трудно суммировать достоинства и недостатки использования эффекта Холла относительно другого распространенного способа измерения тока; а именно, вставки прецизионного резистора в цепь протекания тока и измерения появившегося на нем падения напряжения с помощью дифференциального усилителя. В целом, датчики Холла ценятся за «невлияние» и обеспечение электрической изоляции между цепью протекания тока и измерительной цепью. Эти устройства рассматриваются как не оказывающие влияния потому, что в цепь протекания тока не вставляется какого-либо существенного сопротивления, и, таким образом, схема при проведении измерений ведет себя так же, как если бы датчика не было вовсе. Дополнительным преимуществом является то, что датчиком рассеивается минимальная мощность; это особенно важно при измерении больших токов.

Что касается точности, доступные в настоящее время датчики Холла могут достичь минимальной ошибки в 1%. Хорошо продуманный датчик на основе резистора может дать лучший результат, но одного процента, как правило, хватает при работе с большими токами/напряжениями, где и подходит использование датчиков Холла.

Недостатки датчиков Холла включают в себя ограниченный диапазон частот и высокую стоимость. ACS712 работает до 80 кГц, а диапазон Melexis MLX91208, который позиционируется, как «широкополосный», ограничивается верхней границей 250 кГц. Резистивный датчик тока с высокоскоростным усилителем, с другой стороны, может хорошо работать и мегагерцовом диапазоне. Кроме того, как обсуждалось выше, эффект Холла по своей природе имеет ограничение в отношении измерения малых токов.

Изоляция

Одно из главных преимуществ датчиков Холла заключается в электрической изоляции, которую в контексте проектирования схем и систем называют гальванической развязкой. Принцип гальванической развязки используется всякий раз, когда проект требует, чтобы две схемы связывались таким способом, который предотвращает любую возможность протекания между ними электрического тока. Простой пример, когда цифровой сигнал передается через оптоизолятор, который преобразует импульсы напряжения в импульсы света и таким образом передает данные оптическим способом, а не электрическим. Одной из основных причин для реализации гальванической развязки является предотвращение проблем, связанных с земляными контурами:

Основные принципы проектирования схем предполагают, что взаимосвязанные компоненты совместно используют общую точку земли, на которой предполагается 0 В. В реальной жизни, однако, «земля» состоит из проводников, имеющих ненулевое сопротивление, и эти проводники служат в качестве обратного пути протекания тока от схемы назад к источнику питания. Закон Ома напоминает нам, что ток и сопротивление дадут напряжение, и это падение напряжения в обратном пути означает, что «земля» в одной части схемы не точно такая же по потенциалу, как «земля» в другой части схемы. Эта разница в потенциалах земли может привести к проблемам, начиная от незначительных до катастрофических.

Для предотвращения протекания постоянного тока между двумя схемами используется гальваническая развязка, позволяющая успешно общаться схемам с различными потенциалами земли. Это особенно актуально для измерения токов: низковольтный датчик и обрабатывающая цепь могут понадобиться для контроля больших, изменяющихся в больших пределах токов, например, в цепи привода двигателя. Эти большие, быстро изменяющиеся токи приведут к значительным колебаниям напряжения в цепи обратного пути протекания тока. Датчик Холла позволяет системе контролировать ток привода и защитить схему высокоточного датчика от этих вредных колебаний земли.

Синфазное напряжение

Другое важное применение датчиков Холла заключается в измерении токов при работе с высокими напряжениями. В схеме резистивного датчика тока дифференциальный усилитель измеряет разницу между напряжениями на одной стороне резистора и на другой. Проблема возникает, когда эти напряжения велики по сравнению с потенциалом земли:

Реальные усилители имеют ограниченный «диапазон синфазности», что означает, что устройство не будет функционировать должным образом, разница между входными напряжениями мала, и очень велика разница между ними и землей. Диапазоны синфазных входных напряжений токоизмерительных усилителей, как правило, не выходят за пределы 80 или 100 В. С другой стороны, датчики Холла могут преобразовать ток в напряжение без связи с потенциалом земли в измеряемой цепи. Следовательно, пока напряжение не достаточно велико, чтобы вызвать физическое повреждение, синфазное напряжение не влияет на работу датчика Холла.

Оригинал статьи

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

Сохранить или поделиться

Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности

В 1879 году американский физик Эдвин Холл провел эксперимент, пропустив магнитный поток через тонкую пластину из золота. В ходе эксперимента он обнаружил возникновение на краях пластины разности потенциалов, образовался эффект Холла.

Что такое эффект Холла

Если поместить в магнитное поле пластину-проводник или полупроводник под 90° к направлению силовых линий магнитного потока, электроны в пластине под действием силы Лоренца начнут смещаться по поперечине этой пластины. Направление смещения электронов зависит от направления силы тока и направления силовых линий магнитного потока. Иносказательно эффект Холла (ЭХ) – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Вот как это выглядит простейшим образом на примере. Представьте, что пластина расположена к нам торцом, а ее кромка смотрит вниз. Эта пластина сделана из металла, оба ее торца подключены к источнику питания, задний торец на минус, передний на плюс.

В нашем воображаемом случае электрический ток будет двигаться по направлению к нам, то есть в нашу сторону, откуда мы наблюдаем. Справа и слева от пластины мы видим два магнита. Магнит справа обращен к пластине северным полюсом, а тот что слева обращен к пластине южным полюсом. Таким образом, в нашем случае силовые линии магнитного поля идут справа налево, поскольку всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии будут отклонять электроны, проходящие по пластине к ее верхней кромке.

Если мы поменяем направление тока в пластине, поменяв местами проводники, электроны начнут отклоняться вниз. Если мы не будем менять направление электрического тока, а поменяем полюса магнитов, электроны будут сдвигаться вниз. А поменять и то, и другое, сила Лоренца будет перемещать электроны вверх.

Итак, становится видно, что на одной из кромок нашей пластины под действием силы Лоренца копится отрицательный заряд, а на противоположной кромке – положительный. Наблюдается разность потенциалов между двумя кромками пластины, а другими словами – электрическое напряжение. Разность будет увеличиваться до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца. Разность потенциалов, возникающая конкретно в таких случаях, называется напряжением Холла и рассчитывается по формуле:

UХолл=−IB/et

Где I – сила тока, B – вектор магнитной индукции, e – заряд электрона, p – количество электронов в единице объема, t – толщина пластины.

Аномальный ЭХ

Бывают случаи, когда ЭХ обнаруживается в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это может происходить только тогда, когда нарушается симметрия по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

В двумерных газах, у которых среднее расстояние между частицами уменьшено до соизмеримых с длиной де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля возникают плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

В магнитных потоках с еще большей силой индукции обнаруживается дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, не помещенных в поле действия силовых линий магнита. Эффект заключается в отклонении электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применения

Эффект холла применяется для изучения особенностей полупроводников. С помощью него можно вычислить количество носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. В частности, пользуясь эффектом Холла можно отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ послужил фундаментом для разработки датчиков Холла. Эта аппаратура измеряет напряженность магнитного поля. Такие датчики активно применяются для построения моторов со следящим приводом. В них они исполняют роль датчика обратной связи. Они измеряют угол поворота вала мотора.

Также датчики Холла устанавливаются в электростартерах ДВС, охлаждающие системы ПК, навигационных системах мобильных телефонов, применяются в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Похожие темы:

Эффект Холла

      Одним из проявлений магнитной составляющей силы Лоренца в веществе служит эффект, обнаруженный в 1879 г. американским физиком Э.Г. Холлом (1855–1938). Эффект состоит в возникновении на боковых гранях проводника с током, помещенного в поперечное магнитное поле, разности потенциалов, пропорциональной величине тока

I и индукции магнитного поля В.

      Рассмотрим эффект, обусловленный действием лоренцевой силы  на свободные заряды в проводнике. Представим себе проводник с током I в виде плоской ленты, расположенной в магнитном поле с индукцией , направленной от нас (рис. 2.19).

      В случае изображенном на рис. 2.19, а, верхняя часть проводника будет заряжаться отрицательно, в случае 2.19, б – положительно.

а                                                                  б

Рис. 2.19

      Это позволяет экспериментально определить знак носителя заряда в проводнике.

      При равной концентрации носителей заряда обоих знаков возникает холловская разность потенциалов, если различна подвижность, т.е. дрейфовая скорость носителей заряда.

      Подсчитаем величину холловской разности потенциалов (U_х).

      Обозначим: E_x – напряженность электрического поля, обусловленного ЭДС Холла,  h – толщина ленты проводника.

,

(2.10.1)

      Перераспределение зарядов прекратится, когда сила qE_x уравновесит лоренцеву силу, т.е.

   или   

      Плотность тока   , отсюда   .  Тогда .

      Подставим E_x в (2.10.1) и найдем U_x:

,

(2.10.2)

где  – коэффициент Холла.

      Исследования ЭДС Холла привели к удивительным выводам. Металлы могут обладать проводимостью р-типа (Zn, Cd – у них дырки более подвижные, чем электроны). Это металлы с чуть перекрывающимися знаками, т.е. полуметаллы.

      Из формулы (2.10.2) можно найти число носителей заряда:

,

(2.10.3)

      Итак, измерение холловской разности потенциалов позволяет определить:

·     знак заряда и тип носителей;

·     количество носителей.

Рис 2.20

      На рисунке 2.20 показана установка для исследования магнитного поля длинного соленоида с помощью датчика Холла.

---

Эффект Холла — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Холл.

Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Свойства

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле с индукцией B{\displaystyle B} течёт электрический ток с плотностью j{\displaystyle j} под действием напряжённости E{\displaystyle E}. Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения вдоль или против электрического поля. При этом критерием малости^[1] будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведёт к накоплению отрицательного заряда возле одной грани бруска, и положительного — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E1{\displaystyle E_{1}} не скомпенсирует силу Лоренца:

eE1=evB⇒E1=vB.{\displaystyle eE_{1}=evB\Rightarrow E_{1}=vB.}

где e{\displaystyle e} — электрический заряд электрона.

Скорость электронов v{\displaystyle v} можно выразить через плотность тока j{\displaystyle j}:

j=nev⇒v=jne,{\displaystyle j=nev\Rightarrow v={\frac {j}{ne}},}

где n{\displaystyle n} — концентрация носителей заряда. Тогда

E1=1nejB.{\displaystyle E_{1}={\frac {1}{ne}}jB.}

Коэффициент RH=1ne{\displaystyle R_{H}={\frac {1}{ne}}} пропорциональности между E1{\displaystyle E_{1}} и jB{\displaystyle jB} называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их знак заряда для большого числа металлов и полупроводников.

Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны, имеющие отрицательный заряд, для некоторых металлов — например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам в достаточно сильном магнитном поле наблюдается положительный знак константы Холла RH{\displaystyle R_{H}}, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твёрдого тела.

Аномальный эффект Холла

Случай появления напряжения (электрического поля) в образце, перпендикулярного направлению пропускаемого через образец тока, наблюдающегося в отсутствие приложенного постоянного магнитного поля (то есть явление, полностью аналогичное эффекту Холла, но наблюдающееся без внешнего постоянного магнитного поля), называется аномальным эффектом Холла.

Необходимым условием для наблюдения аномального эффекта Холла является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе. Например, аномальный эффект Холла может наблюдаться в образцах с намагниченностью^[2].

Квантовый эффект Холла

В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квазидвумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к появлению квантового эффекта Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый эффект Холла

В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получившее название спинового эффекта Холла, было теоретически предсказано Дьяконовым и Перелем в 1971 году. Говорят о внешнем и внутреннем спиновых эффектах. Первый из них связан со спин-зависимым рассеянием, а второй — со спин-орбитальным взаимодействием.

Магнетосопротивление

Эдвин Холл проводил опыты в надежде обнаружить возрастание сопротивления проводника в магнитном поле, но в слабых полях не зарегистрировал его. Также оно не следует из теории металлов Друде, расчёты по которой приводились выше. Однако при более строгих расчётах и в сильных полях магнетосопротивление проявляется достаточно хорошо.

Применение

Датчик Холла, используемый для измерения силы тока в проводнике. В отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях − тип носителей заряда (электроны или дырки) в металле или полупроводнике, что делает его достаточно хорошим методом исследования свойств полупроводников (см. Метод ван дер Пау).

На основе эффекта Холла работают датчики Холла — приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля. Датчики Холла получили очень большое распространение в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли датчика положения ротора (ДПР), который реализует обратную связь по положению ротора и выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном ДПТ.

Датчики Холла применяются:

См. также

Примечания

1. ↑ Критерий малости — внешние воздействия не разрушают присущих физической системе внутренних свойств, не осуществляют «насилия» над системой.
2. ↑ Naoto Nagaosa, Jairo Sinova, Shigeki Onoda, A. H. MacDonald and N. P. Ong. Anomalous Hall effect (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 2010. — Vol. 82, iss. 2. — P. 1539—1592.

Литература

• Абрикосов А. А. Основы теории металлов. — Москва: «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1987. — 520 с. — ISBN нет, ББК 22.37, УДК 539.21 (075.8).
• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. — «Мир», 1979.

Ссылки

Эффект Холла: открытие, датчик, применение

Эффект Холла – явление возникновения разности потенциалов на краях металлической пластины под действием магнитного поля при пропускании через неё электрического тока. Сегодня используется в клавиатурах, стиральных машинах, автомобилях. Интересна статья про датчики Холла.

История открытия эффекта

Об открытии Эдвином Холлом столь специфичного эффекта известно мало. По какой-то причине столь значительное событие не обсуждается в литературе. Раздел про датчики Холла упоминает, что Эдвин сделал ключевые наблюдения в период соискания степени доктора наук Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Событие произошло в 1879 году. Это все, что отыщется в литературе касательно вопроса истоков великого открытия.

Эдвин Холл

Упоминается источник, не столь обсуждаемый. Это заметка, датированная 19 ноября, в осеннем Американском журнале математики 1879 года (т. 2, № 3). Эдвин говорит на страницах 287-292 издания:

«За последний год я много занимался изучением Максвелловского Электричества и магнетизма, лекций профессора Роуланда. Отдельные строки задели внимание! «Нужно скрупулёзно отметить факт, что сила, действующая на проводника с током, расположенный поперёк линий магнитного поля, приложена непосредственно к материалу. И если приложить напряжение к диску или жидкости, материал станет двигаться послушно оказанному влиянию в полной мере, причём характер перемещения может оказаться согласован с формой электрического тока либо находиться с ней в диссонансе. Постоянная магнитная сила действует на поток заряженных частиц. Если бы ток умел выбирать путь сквозь толщу материала, то через время вернулся бы на прежнюю траекторию. Единственной реальной движущей силой становится ЭДС источника.»

Молодому учёному пришло на ум, что строки прямо вступают в противоречие с отдельными уже известными явлениями. По простой причине, что сила, действующая на провод с током, зависит от скорости течения зарядов. В противовес этому форма и конфигурация материала обретают малое значение. В свою очередь, взаимодействия между зарядами объясняются их величиной и знаком, что известно со времён Шарля Кулона.

После трудов Максвелла на глаза Эдвину Холлу попадается заметка профессора Эдлунда под названием «Униполярная индукция» (Annales de Chemie et de Physique, январь 1879). По тексту доказывался факт, что магнит действует на зафиксированный проводник с током аналогичным усилием, как на свободно подвешенный. Холл переадресовал вопрос профессору Роуланду и получил в ответ сообщение о занятости учёного мужа на данный момент. Эдвин получил в собственное распоряжение достойную размышлений загадку. Совместно с профессором Холл разработал методику эксперимента:

Если ток не сохранит постоянного пути движения по проводу под действием магнитного поля, плотность зарядов к одному боку станет выше. Что закономерно увеличит сопротивление проводника. Следовательно, останется воспользоваться законом Ома для проверки гипотезы.

Для реализации опыта выбрана плоская спираль из проволоки (диаметром порядка половины миллиметра) нейзильбера (напоминающая по форме катушку Тесла) общим сопротивлением 2 Ом, зажатая между двумя прокладками из плотной резины. Лист решили поместить между двумя полюсами магнита обширной площади. Так, чтобы линии напряжённости поля в каждой точке оказались перпендикулярны направлению протекания тока. Электромагнит питался от 20 элементов Бунзена, соединённых по 4 последовательные цепочки в 5 ветвей. Результирующая напряжённость превышала в десятки тысяч раз горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

В качестве датчика использовался измерительный мост Витстона, по диагонали которого включили гальванометр конструкции лорда Кельвина. Техническое решение по предварительным данным фиксировало изменение сопротивление спирали в миллионную долю от общего значения. С 7 до 11 октября Эдвин Холл проделал 13 экспериментов, каждый состоял из 40 измерений:

1. Измерение сопротивления с включённым магнитом.
2. Аналогично с выключенным магнитом.
3. П. 1 со сменой полярности линий напряжённости магнитного поля.
4. Повторяет п. 2.

Измерения показали, что магнитное поле способно снижать и увеличивать сопротивление. Максимальный прирост составил пятнадцать сотых, среднее значение по итогам опытов оказалось намного меньше (пять миллионных долей). Стало ясно, что осуществлённых действий недостаточно, чтобы сделать определённые утверждения. Очевидно, что ток вряд ли признаётся несжимаемой субстанцией, как считали прежде. Требовалось понять, почему результаты первых опытов столь различны по значению и направлению изменения сопротивления.

Возникновение разности потенциалов

Первый датчик Холла

Первый датчик Холла сконструирован профессором Роуландом. В той же форме, в которой устройство применяется поныне. Видя, что опыты Эдвина (и его собственные) не приводят к результату, лектор предложил старую модель эксперимента, проделанного годами ранее (описана конструкция датчика Холла):

1. В электрическую цепь включается проводящий диск (либо пластина другой формы).
2. При помощи гальванометра находятся две эквипотенциальные точки по бокам фигуры.
3. Включается электромагнит, линии напряжённости поля которого лежат в перпендикулярной диску плоскости.
4. Фиксируются изменения показаний гальванометра.

Предполагалось засечь признаки изменений при изменении условий протекания тока. В эксперименте использовался датчик Холла в нынешнем исполнении, но опыт не удался. Принято считать, что виновата слишком большая толщина диска. Профессор довёл это до сведения Эдвина и высказал мнение, что ситуация поправима, если использовать тонкий золотой лист, смонтированный на стеклянном основании (для исключения деформации металла полем). Поставленный 28 октября опыт полностью удачный, удалось зафиксировать стабильное отклонение иглы гальванометра при действии магнитного поля на пластинку с током.

И хотя движение оказывалось перманентным, быстро пропадало, нельзя было отнести это на магнитную индукцию (из опытов Фарадея). Быстро исключили погрешность, вносимую поле электрических соленоидов. На горизонте явно маячило открытие. Замечательно, что при изменении полярности магнита эффект инвертировался. Для установления количественных зависимостей аппарат слегка усовершенствовали:

• Прочный контакт источника питания обеспечивался с каждой стороны пластинами латуни, хорошо отполированными и тщательно припаянными к золоту (9х2 см).
• В центре остался чистый металл: область длиной 5,5 см и по всей ширине. Здесь через золото проходили линии магнитного поля.
• Контакты высокоомного гальванометра Томсона подходили по краям, равноудалённо от латунных пластин.

Результаты измерений Холла

В ходе эксперимента измерялись магнитное поле соленоидов, токи через пластину и гальванометр. Результат оформлялся в виде таблицы, представленной на рисунке, показывающей, что Эдвину Холлу удалось получить первые закономерности. Это случилось 12 ноября 1879 года. Несмотря на то, что выражение справа имеет значения, отличающиеся на 8%, очевидно, что порядок цифр одинаковый. А отклонения спишем на погрешности экспериментаторов и оборудования.

Точные значения важны далеко не всегда. Сегодня датчики Холла активно применяются в качестве индикаторов отсутствия или наличия магнитного поля. К примеру, в клавиатурах или двигателях стиральных машин.

Применение эффекта Холла на практике

Уже сказано (см. датчики Холла), что первые промышленные приложения эффекта Холла нашли себе путь в жизнь во второй половине XX века. Сегодня чуть более половины доли сегмента приходится на автомобильную промышленность. Точнее – передовые технологии в остальные области приходят оттуда. К примеру, модули ASIC и ASSP. Ведущая роль на десятые года XXI века принадлежит компании Asahi Kasei Microsystems (АКМ), поставляющей компасы для мобильных устройств на основе эффекта Холла. Среди промышленных гигантов отметим Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Среди датчиков магнитного поля основанные на эффекте Холла занимают почётную долю в 87%.

Часто датчик включается в состав микросхемы. Историческим предком является серия КМОП. На её основе выпущены интегрированные в кристалл датчики для измерения угла положения дроссельной заслонки, руля, скорости вращения распределительного и коленчатого вала. Широко значение технологии в работе вентильных двигателей, где по угловому положению ротора нужно коммутировать определённым образом обмотки. Измерением величины поля занимаются новейшие 3D-датчики, определяющие угловое и линейное положение системы магнитов. Прежде фиксировался просто факт наличия или отсутствия объекта в поле зрения. Это нужно для успешной конкуренции с магниторезистивной технологией.

Сегодня последним писком моды считаются программируемые конструкции, куда посредством кода заносятся разные функции. Датчики могут использоваться различными способами. К примеру, по взаимному положению чувствительной площадки и магнита различают режимы:

1. Лобовой. В этом случае магнит находится прямо напротив датчика, удаляясь от него или приближаясь по прямой линии. Поле зависит квадратично от дистанции и закон выходного сигнала от дальности напоминает гиперболу. Такой режим называется униполярным, напряжённость не может поменять направление.
2. Скольжение. В этом случае между чувствительной площадкой и магнитом имеется некий зазор. Эта координата остаётся неизменной. А магнит может скользить параллельно датчику по одной оси. Поле в этом случае не меняется, а зависимость выходного сигнала от координаты близка к гауссовому распределению. Направление напряжённости не меняется, посему режим также называют униполярным.
3. Биполярное скольжение. Иногда требуется узнать, в какую именно сторону отклонился магнит. А не только определить дистанцию. В этом случае магнит используется подковообразный. Соответственно, полюсы вызывают отклики разной полярности. Что и дало название режиму.

Данные режимы периодически используются в комбинации. К примеру, когда требуется точно позиционировать магнит относительно датчики (при помощи исполнительных устройств), чувствительность оборудования повышается крутой характеристикой зависимости выходного сигнала от координат. Применяются магниты из трёх полос с чередованием полюсов. Крайний спуски графика получаются пологими, а центральный пик резко выражен. Чем достигается точное позиционирование системы.

Для усиления линий напряжённости, придания чётко выраженного направления применяются полюсные наконечники. Это куски металла из мягких ферромагнитных сплавов. По мере приближения магнита линии начинают стремиться к участку, образуя зазор, где остаются прямыми. Если туда поместить датчик Холла, чувствительность системы ощутимо повышается. С аналогичной целью применяются магниты смещения, остающиеся на месте и не вызывающие самостоятельное срабатывание. По мере приближения движущейся части плотность магнитного поля резко нарастает. Это упрощает срабатывание и уменьшает требования к чувствительности датчика.

Добавим, что по структуре выходного сигнала сенсоры бывают аналоговыми и цифровыми. В последнем случае система легко сопрягается с автоматикой, а измеренный сигнал уже не теряет точности, будучи переданным на обработку.

эффект Холла | Определение и факты

Эффект Холла , развитие поперечного электрического поля в твердом материале, когда он переносит электрический ток и находится в магнитном поле, перпендикулярном току. Это явление было обнаружено в 1879 году американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Электрическое поле, или поле Холла, является результатом силы, которую магнитное поле оказывает на движущиеся положительные или отрицательные частицы, составляющие электрический ток.Независимо от того, является ли ток движением положительных частиц, отрицательных частиц в противоположном направлении или их смесью, перпендикулярное магнитное поле смещает движущиеся электрические заряды в одном направлении вбок под прямым углом как к магнитному полю, так и к направлению магнитного поля. текущий поток. Накопление заряда на одной стороне проводника оставляет другую сторону противоположно заряженной и создает разность потенциалов. Соответствующий измеритель может определить эту разницу как положительное или отрицательное напряжение.Знак этого напряжения Холла определяет, переносят ли ток положительные или отрицательные заряды.

В металлах напряжения Холла обычно отрицательны, что указывает на то, что электрический ток состоит из движущихся отрицательных зарядов или электронов. Однако для некоторых металлов, таких как бериллий, цинк и кадмий, напряжение Холла положительно, что указывает на то, что эти металлы проводят электрические токи за счет движения положительно заряженных носителей, называемых дырками. В полупроводниках, в которых ток состоит из движения положительных дырок в одном направлении и электронов в противоположном направлении, знак напряжения Холла показывает, какой тип носителя заряда преобладает.Эффект Холла можно использовать также для измерения плотности носителей тока, их свободы движения или подвижности, а также для обнаружения наличия тока в магнитном поле.

Напряжение Холла, возникающее в проводнике, прямо пропорционально току, магнитному полю и природе самого проводящего материала; Напряжение Холла обратно пропорционально толщине материала в направлении магнитного поля. Поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты Холла, они развивают разные напряжения Холла при одинаковых условиях размера, электрического тока и магнитного поля.Коэффициенты Холла могут быть определены экспериментально и могут изменяться в зависимости от температуры.

.

Что такое эффект Холла? — Угол Холла, применение эффекта Холла

Определение: Когда кусок металла или полупроводника помещается в магнитное поле, точнее в поперечное магнитное поле , и через него проходит постоянный ток, затем электрическое поле проявляется по краям металлического или полупроводникового образца. Это явление называется эффектом Холла .

Объяснение эффекта Холла

Рассмотрим кусок металла, помещенный в магнитное поле.А магнитное поле перпендикулярно металлическому или полупроводниковому образцу. Теперь постоянный ток пропускается через металлический или полупроводниковый образец таким образом, чтобы ток проходил в положительном направлении оси X.

Магнитное поле прикладывается таким образом, что магнитное поле действует в положительном направлении оси Z. Согласно координатной геометрии, ось X, ось Y и ось Z перпендикулярны друг другу. Таким образом, путь прохождения тока перпендикулярен пути, по которому действует магнитное поле.

Магнитное поле действует в положительном направлении оси Z, таким образом, северный полюс можно считать направленным вверх по отношению к металлической плите, а южный полюс можно рассматривать как направленный вниз по отношению к металлической плите. Следовательно, когда ток начинает течь по металлической пластине, носители заряда испытывают силу, создаваемую магнитным полем.

Носители заряда, которые движутся в положительном направлении оси X, будут выталкиваться вниз под действием магнитной силы. В полупроводнике N-типа основной компонент, несущий ток, — это электрон, поэтому эти электроны будут выталкиваться вниз.На диаграмме, иллюстрирующей эффект Холла, совершенно очевидно, что нижняя поверхность имеет номер 1, а верхняя — номер 2.

Таким образом, в полупроводнике N-типа, когда полупроводниковая пластина помещается в магнитное поле, нижняя поверхность полупроводника становится более отрицательной по отношению к верхней поверхности, т.е. поверхность 1 будет отрицательной по отношению к поверхности 2.

В случае полупроводника P-типа нижняя поверхность будет более положительной по отношению к верхней поверхности, т.е.поверхность 1 будет более положительной по отношению к поверхности 2. Это скопление носителей заряда создаст электрическое поле. Таким образом, электрическое поле будет перпендикулярно как направлению, в котором действует магнитное поле, так и направлению, в котором течет ток.

Математическое выражение эффекта Холла

В состоянии равновесия электрическая сила, действующая на носители заряда из-за электрического поля, создаваемого из-за эффекта Холла, уравновешивает магнитную силу, действующую на носители заряда из-за магнитного поля.

Следовательно, значение плотности заряда можно определить, зная значения B, I, V _H и w.

Коэффициент Холла: Коэффициент Холла можно определить как поле Холла на единицу плотности тока на единицу магнитного поля. Математически это можно представить как: —

В примитивном полупроводнике токонесущие носители заряда относятся к одному типу: электроны или дырки, как в полупроводнике N-типа носителями заряда являются электроны, а в полупроводнике P-типа носителями заряда являются дырки.Таким образом, проводимость (σ) определяется как: —

Соотношение между подвижностью (μ), проводимостью (σ) и коэффициентом Холла (R _H ) можно определить как: —

Вышеприведенное уравнение получено с учетом того, что носители заряда движутся со средней скоростью дрейфа v. В то время как носители заряда в действительности имеют случайное тепловое распределение скорости. Таким образом, согласно такому случайному распределению указанное выше уравнение можно переопределить как: —

Угол Холла: Результирующее электрическое поле (E) (из-за электрического поля в направлении X (Ex) и поля Холла, действующего в направлении Y (E _H )) составляет некоторый угол с электрическим полем в X-направление (Ex).Это называется углом Холла . Этот угол обозначен как ⱷ _H .

Применение эффекта Холла

Различные применения эффекта Холла следующие: —

1. Для определения полярности: Он используется для определения типа полупроводника N-типа или P-типа.
2. Для определения концентрации носителей: Используется для определения концентрации электронов и дырок.
3. Определение проводимости: Эффект Холла используется для определения проводимости материала и, таким образом, его подвижности можно рассчитать.
4. Измерение смещения и тока: Используется для измерения смещения и тока в механических датчиках.
5. Измерение мощности: Измерение мощности в электромагнитной волне может быть выполнено с помощью эффекта Холла.

Эффект Холла играет важную роль в различных чувствительных устройствах.Таким образом, важно подробно разбираться в его работе.

.

Что такое преобразователь эффекта Холла? — Определение, принцип и применение

Определение: Элемент на эффекте Холла — это тип преобразователя, используемый для измерения магнитного поля на , преобразующего его в ЭДС . Прямое измерение магнитного поля невозможно. Таким образом, используется преобразователь на эффекте Холла. Преобразователь преобразует магнитного поля в электрическую величину , которая легко измеряется аналоговыми и цифровыми счетчиками.

Принцип датчика Холла

Принцип действия преобразователя на эффекте Холла заключается в том, что если токоведущую полоску проводника поместить в поперечное магнитное поле, то ЭДС развивается на краю проводника. Величина развивающегося напряжения зависит от плотности потока, и это свойство проводника называется эффектом Холла. Элемент с эффектом Холла в основном используется для магнитных измерений и измерения тока.

Металл и полупроводник обладают свойством эффекта Холла, который зависит от плотности и подвижности электронов.

Рассмотрим элемент эффекта Холла, показанный на рисунке ниже. Подача тока через выводы 1 и 2, а выход обеспечивается полосой 3 и 4. Выводы 3 и 4 имеют одинаковый потенциал, когда к полосе не приложено поле.

Когда магнитное поле приложено к полосе, на выходных выводах 3 и 4 возникает выходное напряжение. Развиваемое напряжение прямо пропорционально прочности материала.

Выходное напряжение,

где,

I — сила тока в амперах, а B — плотность потока в Вт / м ²

С помощью выходных напряжений можно измерить как ток, так и напряженность магнитного поля.ЭДС эффекта Холла в проводниках очень мала, из-за чего ее трудно измерить. Но полупроводники, такие как германий, создают большую ЭДС, которую легко измерить с помощью прибора с подвижной катушкой.

Применение преобразователя на эффекте Холла

Ниже представлено применение преобразователей на эффекте Холла.

1. Магнитный преобразователь в электрический — Элемент с эффектом Холла используется для преобразования магнитного потока в электрический преобразователь. Магнитные поля измеряются путем помещения полупроводникового материала в измеряемое магнитное поле.На конце полупроводниковых лент возникает напряжение, и это напряжение прямо пропорционально плотности магнитного поля.

Преобразователь на эффекте Холла занимает мало места и выдает непрерывный сигнал о напряженности магнитного поля. Единственным недостатком преобразователя является то, что он очень чувствителен к температуре и, следовательно, требует калибровки в каждом случае.

2. Измерение смещения — Элемент с эффектом Холла измеряет смещение структурного элемента. Например — Рассмотрим ферромагнитную структуру с постоянным магнитом.

Преобразователь на эффекте Холла, расположенный между полюсами постоянного магнита. Напряженность магнитного поля на элементе эффекта Холла изменяется за счет изменения положения ферромагнитного поля.

3. Измерение тока — Преобразователь на эффекте Холла также используется для измерения тока без какого-либо физического соединения между цепью проводника и измерителем.

Переменный или постоянный ток подается поперек проводника для создания магнитного поля. Сила магнитного поля прямо пропорциональна приложенному току. Магнитное поле создает ЭДС поперек лент. И эта ЭДС зависит от прочности проводника.

4. Измерение мощности — Преобразователь эффекта Холла используется для измерения мощности проводника. Ток проходит через проводник, который создает магнитное поле.Напряженность поля зависит от силы тока. Магнитное поле индуцирует напряжение на полосе. Выходное напряжение умножителя пропорционально мощности преобразователя.

.

Что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла

В этом руководстве мы узнаем, что такое эффект Холла и как работают датчики на эффекте Холла. Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Обзор

---

Эффект Холла является наиболее распространенным методом измерения магнитного поля, а датчики на эффекте Холла очень популярны и находят множество современных применений. Например, они используются в автомобилях в качестве датчиков скорости вращения колес, а также датчиков положения коленчатого или распределительного вала.Также они часто используются как переключатели, компасы MEMS, датчики приближения и так далее. Теперь мы рассмотрим некоторые из этих датчиков и посмотрим, как они работают, но сначала давайте объясним, что такое эффект Холла.

Что такое эффект Холла?

---

Вот эксперимент, который объясняет эффект Холла: если у нас есть тонкая проводящая пластина, как показано на рисунке, и мы настроим ток, протекающий через нее, носители заряда будут течь по прямой линии от одной стороны пластины к другой.

Теперь, если мы поднесем некоторое магнитное поле к пластине, мы нарушим прямой поток носителей заряда из-за силы, называемой Сила Лоренца (Википедия).В таком случае электроны будут отклоняться на одну сторону пластины, а положительные отверстия — на другую сторону пластины. Это означает, что если мы теперь поместим измеритель между двумя другими сторонами, мы получим некоторое напряжение, которое можно измерить.

Таким образом, эффект получения измеримого напряжения, как мы объяснили выше, называется эффектом Холла в честь Эдвина Холла, который открыл его в 1879 году.

Датчики эффекта Холла

Основной элемент Холла магнитных датчиков на эффекте Холла в основном обеспечивает очень небольшое напряжение, всего несколько микровольт на гаусс, поэтому эти устройства обычно производятся со встроенными усилителями с высоким коэффициентом усиления.

Существует два типа датчиков Холла: один обеспечивает аналоговый, а другой цифровой выход. Аналоговый датчик состоит из регулятора напряжения, элемента Холла и усилителя. Из принципиальной схемы видно, что выходной сигнал датчика является аналоговым и пропорционален выходному сигналу элемента Холла или напряженности магнитного поля. Датчики этого типа подходят и используются для измерения приближения из-за их непрерывного линейного выхода.

С другой стороны, цифровые выходные датчики обеспечивают только два состояния выхода: «ВКЛ» или «ВЫКЛ».Датчики этого типа имеют дополнительный элемент, как показано на принципиальных схемах. Это триггер Шмитта, который обеспечивает гистерезис или два разных пороговых уровня, поэтому выходной сигнал может быть высоким или низким. Для получения более подробной информации о том, как работает триггер Шмитта, вы можете проверить это в моем конкретном руководстве. Примером датчика этого типа является переключатель на эффекте Холла. Они часто используются в качестве концевых выключателей, например, в 3D-принтерах и станках с ЧПУ, а также для обнаружения и позиционирования в системах промышленной автоматизации.

Другим современным применением датчиков Холла является измерение скорости вращения колеса / ротора или числа оборотов в минуту, а также определение положения коленчатого или распределительного вала в системах двигателя. Эти датчики состоят из элемента Холла и постоянного магнита, которые расположены рядом с зубчатым диском, прикрепленным к вращающемуся валу.

Зазор между датчиком и зубьями диска очень мал, поэтому каждый раз, когда зуб проходит рядом с датчиком, он изменяет окружающее магнитное поле, в результате чего выходной сигнал датчика становится высоким или низким.Таким образом, выходной сигнал датчика представляет собой прямоугольный сигнал, который можно легко использовать для расчета числа оборотов вращающегося вала.

.