Описание эффекта холла. Эффект Холла: физическое явление и его практическое применение

Что представляет собой эффект Холла. Как объяснить это явление простыми словами. Какие виды эффекта Холла существуют. Где используется эффект Холла на практике.

Что такое эффект Холла и как он был открыт

Эффект Холла — это физическое явление, при котором в проводнике с электрическим током, помещенном в магнитное поле, возникает поперечная разность потенциалов. Это явление было открыто американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году во время экспериментов с тонкими золотыми пластинками.

Каковы были условия эксперимента Холла? Ученый пропускал электрический ток через тонкую металлическую пластину, помещенную в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. В результате он обнаружил, что на краях пластины возникает небольшая разность потенциалов, направленная поперек тока.

Физическая сущность эффекта Холла

В чем заключается физический механизм эффекта Холла? Когда электрический ток проходит через проводник в магнитном поле, на движущиеся электроны действует сила Лоренца. Эта сила отклоняет электроны к одному из краев проводника, что приводит к накоплению отрицательного заряда на этом крае. Соответственно, на противоположном крае возникает недостаток электронов, то есть положительный заряд.

Таким образом формируется поперечное электрическое поле, которое уравновешивает действие магнитной силы на электроны. Это поперечное поле и создает разность потенциалов между краями проводника — напряжение Холла.

Математическое описание эффекта Холла

Как количественно описать эффект Холла? Напряжение Холла можно рассчитать по формуле:

U_H = R_H * (I * B) / d

Где:

• U_H — напряжение Холла
• R_H — постоянная Холла (характеристика материала)
• I — сила тока
• B — магнитная индукция
• d — толщина проводника

Как видно из формулы, напряжение Холла прямо пропорционально силе тока и магнитной индукции, и обратно пропорционально толщине проводника.

Разновидности эффекта Холла

Существуют различные модификации классического эффекта Холла. Какие виды эффекта Холла выделяют ученые?

Аномальный эффект Холла

Что представляет собой аномальный эффект Холла? Это явление наблюдается в ферромагнитных материалах даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Оно связано с взаимодействием спинов электронов с намагниченностью материала.

Квантовый эффект Холла

В чем особенность квантового эффекта Холла? Он наблюдается в двумерных электронных системах при низких температурах и сильных магнитных полях. При этом холловское сопротивление квантуется, принимая значения кратные h/e^2.

Спиновый эффект Холла

Как проявляется спиновый эффект Холла? В этом случае электроны с противоположно направленными спинами отклоняются в разные стороны даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это связано с спин-орбитальным взаимодействием.

Практическое применение эффекта Холла

Где используется эффект Холла на практике? Это явление нашло широкое применение в различных областях техники и технологий:

Датчики Холла

Как работают датчики на основе эффекта Холла? Они позволяют измерять напряженность магнитного поля, преобразуя ее в электрический сигнал. Такие датчики используются в различных устройствах:

• Измерительные приборы (тесламетры, гауссметры)
• Бесконтактные переключатели
• Датчики положения и скорости вращения
• Датчики тока

Применение в автомобильной электронике

Как используется эффект Холла в автомобилях? Датчики Холла применяются в различных системах:

• Система зажигания (определение положения распредвала)
• Антиблокировочная система тормозов (ABS)
• Электронная педаль газа
• Датчики положения дроссельной заслонки

Применение в бытовой технике

Где еще можно встретить датчики Холла? Они широко используются в различных бытовых приборах:

• Стиральные машины (контроль скорости вращения барабана)
• Кухонные комбайны и блендеры
• Электронные весы
• Компьютерные клавиатуры и мыши

Преимущества датчиков на основе эффекта Холла

Почему датчики Холла так популярны? Они обладают рядом важных достоинств:

• Бесконтактное измерение
• Высокая чувствительность
• Широкий диапазон измерений
• Малые размеры и вес
• Низкое энергопотребление
• Простота интеграции с электронными системами

Перспективы развития технологий на основе эффекта Холла

Какие новые применения эффекта Холла могут появиться в будущем? Ученые и инженеры продолжают исследовать возможности этого явления:

• Разработка новых типов магнитной памяти
• Создание сверхчувствительных магнитометров
• Применение в квантовых компьютерах
• Использование в медицинской диагностике

Эффект Холла, открытый почти полтора века назад, продолжает играть важную роль в современных технологиях и остается предметом активных научных исследований.

Эффект Холла и его применение

После проведения эксперимента в 1879 году Эдвином Холлом при пропускании магнитного потока через тонкую пластину из золота было обнаружено возникновение на краях пластины разности потенциалов, то есть образовался эффект Холла.

В чем заключается эффект Холла

Определение 1

При помещении в магнитное поле пластины-проводника или полупроводника под 90 °к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца. Их направление зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, (ЭХ) эффект Холла – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

Если представить расположенную к нам торцом пластину, то ее кромка направлена вниз. Она сделана из металла, оба торца подключены к источнику питания, задний из которых на минус, передний на плюс.

Данный случай говорит о том, что электрический ток будет протекать по направлению к наблюдателю. Справа и слева от пластины располагаются два магнита. Правый из них обращен к пластине северным полюсом, левый – южным. Делаем вывод, что данный случай показывает направление силовых линий магнитного поля справа налево, так как они всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии отклоняют электроны, которые проходят по пластине к ее верхней кромке.

При изменении направления тока в пластине при помощи перемены местами проводников мы сможем наблюдать отклонение электронов вниз. Если направление не менять, а только лишь полюса магнитов, электроны начнут сдвигаться вниз. Когда применяются оба направления, сила Лоренца произведет их перемещение вверх.

Очевидно, что одна из кромок накапливает отрицательный заряд под действием силы Лоренца, на другая на противоположной стороне – положительный. Это говорит о наличии разности потенциалов между ними, то есть электрического напряжения. Увеличение этой разности будет происходить до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца.

Определение 2

Возникновение разности потенциалов в таких случаях, получило название напряжения Холла, которое можно рассчитать, используя формулу:

Uхолл=-IBet, где I является силой тока, B – вектором магнитной индукции, e – зарядом электрона, p – количеством электронов в единице объема, t – толщиной пластины.

Аномальный ЭХ

Имеются случаи, когда ЭХ может быть обнаружен в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это возможно при нарушении симметрии по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

Двумерные газы со средним расстоянием между частицами, уменьшенным до значения длины де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля, подвержены возникновению плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

Магнитные потоки, обладающие больше силой индукции, имеют дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Суть эффекта – отклонение электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла

Применение метода Холла связано с изучением особенностей полупроводников. С его помощью стало возможным вычисление количества носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. При его использовании реально отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Аппаратура предназначена для измерения напряженности магнитного поля. Их используют для построения моторов со следящим приводом. В моторах они исполняют роль датчика обратной связи. Они способны измерить угол поворота вала мотора.

Датчики Холла устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, навигационных системах мобильных телефонов, в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Автор: Роман Адамчук

Преподаватель физики

Эффект Холла и его применение

После проведения эксперимента в 1879 году Эдвином Холлом при пропускании магнитного потока через тонкую пластину из золота было обнаружено возникновение на краях пластины разности потенциалов, то есть образовался эффект Холла.

В чем заключается эффект Холла

Определение 1

При помещении в магнитное поле пластины-проводника или полупроводника под 90 °к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца. Их направление зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, (ЭХ) эффект Холла – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

Если представить расположенную к нам торцом пластину, то ее кромка направлена вниз. Она сделана из металла, оба торца подключены к источнику питания, задний из которых на минус, передний на плюс.

Данный случай говорит о том, что электрический ток будет протекать по направлению к наблюдателю. Справа и слева от пластины располагаются два магнита. Правый из них обращен к пластине северным полюсом, левый – южным. Делаем вывод, что данный случай показывает направление силовых линий магнитного поля справа налево, так как они всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии отклоняют электроны, которые проходят по пластине к ее верхней кромке.

При изменении направления тока в пластине при помощи перемены местами проводников мы сможем наблюдать отклонение электронов вниз. Если направление не менять, а только лишь полюса магнитов, электроны начнут сдвигаться вниз. Когда применяются оба направления, сила Лоренца произведет их перемещение вверх.

Очевидно, что одна из кромок накапливает отрицательный заряд под действием силы Лоренца, на другая на противоположной стороне – положительный. Это говорит о наличии разности потенциалов между ними, то есть электрического напряжения. Увеличение этой разности будет происходить до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца.

Определение 2

Возникновение разности потенциалов в таких случаях, получило название напряжения Холла, которое можно рассчитать, используя формулу:

Uхолл=-IBet, где I является силой тока, B – вектором магнитной индукции, e – зарядом электрона, p – количеством электронов в единице объема, t – толщиной пластины.

Аномальный ЭХ

Имеются случаи, когда ЭХ может быть обнаружен в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это возможно при нарушении симметрии по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

Двумерные газы со средним расстоянием между частицами, уменьшенным до значения длины де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля, подвержены возникновению плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

Магнитные потоки, обладающие больше силой индукции, имеют дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Суть эффекта – отклонение электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла

Применение метода Холла связано с изучением особенностей полупроводников. С его помощью стало возможным вычисление количества носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность.

При его использовании реально отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Аппаратура предназначена для измерения напряженности магнитного поля. Их используют для построения моторов со следящим приводом. В моторах они исполняют роль датчика обратной связи. Они способны измерить угол поворота вала мотора.

Датчики Холла устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, навигационных системах мобильных телефонов, в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р.

Реферат от 1 дня / от 700 р.

Автор: Роман Адамчук

Преподаватель физики

Эффект Холла и его применение

После проведения эксперимента в 1879 году Эдвином Холлом при пропускании магнитного потока через тонкую пластину из золота было обнаружено возникновение на краях пластины разности потенциалов, то есть образовался эффект Холла.

В чем заключается эффект Холла

Определение 1

При помещении в магнитное поле пластины-проводника или полупроводника под 90 °к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца. Их направление зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, (ЭХ) эффект Холла – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

Если представить расположенную к нам торцом пластину, то ее кромка направлена вниз. Она сделана из металла, оба торца подключены к источнику питания, задний из которых на минус, передний на плюс.

Данный случай говорит о том, что электрический ток будет протекать по направлению к наблюдателю. Справа и слева от пластины располагаются два магнита. Правый из них обращен к пластине северным полюсом, левый – южным. Делаем вывод, что данный случай показывает направление силовых линий магнитного поля справа налево, так как они всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии отклоняют электроны, которые проходят по пластине к ее верхней кромке.

При изменении направления тока в пластине при помощи перемены местами проводников мы сможем наблюдать отклонение электронов вниз. Если направление не менять, а только лишь полюса магнитов, электроны начнут сдвигаться вниз. Когда применяются оба направления, сила Лоренца произведет их перемещение вверх.

Очевидно, что одна из кромок накапливает отрицательный заряд под действием силы Лоренца, на другая на противоположной стороне – положительный. Это говорит о наличии разности потенциалов между ними, то есть электрического напряжения. Увеличение этой разности будет происходить до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца.

Определение 2

Возникновение разности потенциалов в таких случаях, получило название напряжения Холла, которое можно рассчитать, используя формулу:

Uхолл=-IBet, где I является силой тока, B – вектором магнитной индукции, e – зарядом электрона, p – количеством электронов в единице объема, t – толщиной пластины.

Аномальный ЭХ

Имеются случаи, когда ЭХ может быть обнаружен в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это возможно при нарушении симметрии по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

Двумерные газы со средним расстоянием между частицами, уменьшенным до значения длины де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля, подвержены возникновению плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

Магнитные потоки, обладающие больше силой индукции, имеют дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Суть эффекта – отклонение электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла

Применение метода Холла связано с изучением особенностей полупроводников. С его помощью стало возможным вычисление количества носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. При его использовании реально отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Аппаратура предназначена для измерения напряженности магнитного поля. Их используют для построения моторов со следящим приводом. В моторах они исполняют роль датчика обратной связи. Они способны измерить угол поворота вала мотора.

Датчики Холла устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, навигационных системах мобильных телефонов, в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Решение задач от 1 дня / от 150 р. Курсовая работа от 5 дней / от 1800 р. Реферат от 1 дня / от 700 р.

Автор: Роман Адамчук

Преподаватель физики

в чем заключается метод, что такое классический простыми словами, краткое описание

Содержание:

• Что такое эффект Холла — описание явления
• В чем суть, как объяснить простыми словами
• Какие бывают разновидности эффекта Холла
• Применение эффекта Холла на практике

Содержание

• Что такое эффект Холла — описание явления
• В чем суть, как объяснить простыми словами
• Какие бывают разновидности эффекта Холла
• Применение эффекта Холла на практике

Что такое эффект Холла — описание явления

Определение

Эффект Холла — это явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.

Данный эффект был открыт в 1879 году Эдвином Холлом в тонких пластинках золота, когда ученый обнаружил на их краях разность потенциалов.

Принцип измерения: при помещении в магнитное поле пластины-проводника под 90 градусов к направлению силовых линий магнитного потока, произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца — силы, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. 

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Источник: avatars.mds.yandex.net

Таким образом, эффект Холла выражается действием магнитного поля на заряженную частицу. 

В чем суть, как объяснить простыми словами

Описание механизма работы: к проводящему проводнику подводится электрический ток, затем гальванометр подключается к его краям. Далее электромагнит включается так, чтобы линии напряженности поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Таким образом предполагалось выявить условия для изменения протекания тока. В результате было обнаружено, что при подаче на тонкий лист золота электрического тока заряд в ней распределялся равномерно по всей поверхности. Но как только добавляется ток — заряд переходит к краям и возникает разность потенциалов.

Именно на этом открытии позже были построены одноименные датчики.

Какие бывают разновидности эффекта Холла

Данный эффект бывает трех видов:

• аномальный;
• квантовый;
• спиновой.

Аномальный эффект способен проявляться в ненамагниченных материалах. Т.е. это такой метод, при котором появление напряжения не обусловлено влиянием магнитного поля. При этом необходимым условием для наблюдения данного эффекта является нарушение инвариантности по отношению к обращению времени в системе.

Квантовый эффект Холла отличается тем, что он квантуется только в сильно намагниченных полях, которые приводят к кардинальной перестройке внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый эффект Холла наблюдается в ненамагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Смыслом данного эффекта является то, что электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла на практике

С помощью данного метода появилась возможность вычислять количество носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность при измерении напряжения магнитного поля. Его используют при построении моторов со следящим приводом. Использование метода позволяет измерить угол поворота вала мотора.

Также датчики Холла устанавливаются в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, в приводах дисководов и вентиляциях компьютерной техники. Их используют в мобильной и бытовой технике совместно с двигателями, в измерительном оборудовании за счет способности преобразовать магнитную индукцию в разность потенциалов.

Одним из главных преимуществ таких датчиков является их удобство и безопасность, которые достигаются путем электрической изоляции. Датчики изготавливаются из таких металлов, как германий и кремний. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой.

Материал при этом должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для наибольшего эффекта вещество не должно обладать высокой электропроводностью. Преимуществом таких устройств является низкая зависимость от изменения температуры.

Насколько полезной была для вас статья?

Рейтинг: 2.67 (Голосов: 3)

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

Поиск по содержимому

что это, зачем используется и где применяется / Хабр

Измерять характеристики магнитного поля можно как при помощи элементарных систем, так и посредством весьма сложных технологических решений. Все зависит от того, какие именно измерения выполняются и какие результаты ожидается получить. Самые простые датчики магнитного поля — герконы. Эти элементы изменяют состояние подключенной электрической цепи при воздействии магнитного поля. Герконы используются повсеместно, например, в датчиках открытия двери.

Герконы — очень простые системы. Для получения дополнительной информации о магнитном поле можно использовать еще и компас. Примерно так работали первые магнитометры. Но сейчас возможностей гораздо больше, ведь появились новые системы, включая распространенные датчики, где используется эффект Холла.

Спектр моделей таких датчиков чрезвычайно обширен — от клавиатур до оценки закрытия или открытия клапана. Датчики Холла используются в бесконтактной системе зажигания бензиновых двигателей, они служат для считывания показаний распредвала двигателя, с тем, чтобы определять параметры вращения. Электронный блок управления автомобиля по показаниям датчика определяет исправность системы зажигания и старта.

История появления датчика

Все началось с работы Эдвина Холла, который обнаружил эффект, позже названный его именем, в 1878 году. Основная идея проста: при воздействии магнитного поля на проводник, по которому проходит электрический ток, на концах проводника возникает разность напряжений при протекании тока, перпендикулярного полю.

Этот эффект называют обычным эффектом Холла, поскольку есть и другие явление, которое базируются на взаимодействии проводника, тока и магнитного поля.

Соответственно, датчики, чья работа основывается на эффекте Холла — лишь одна из разновидностей современных магнитометров. Есть множество разных датчиков других типов, где используются приемные катушки индуктивности. Они могут вращаться ил инет, используются также шкалы или пружины для измерения силы магнитного поля. Обнаружить магнитное поле можно даже при помощи оптических свойств материалов и соответствующих эффектов — например, эффекта Керра или Фарадея.

Есть и весьма специфические датчики, которые можно назвать экзотикой. Они основываются на измерении протонного резонанса в богатых водородом соединениях и веществах вроде керосина, либо определении энергетического состояния молекул газов типа цезия. Есть и датчики со сверхпроводящими катушками.

Но именно датчики на эффекте Холла являются наиболее недорогими, имеют небольшой размер и весьма практичны. Как уже говорилось выше, миниатюрные датчики Холла используются в клавиатурах. Сложно представить клавиатуру, основа которой — сверхпроводящие датчики, прикрепленные к нижней части клавиш.

Датчики Холла — идеальный вариант при создании систем контроля частоты вращения чего-либо, от кулеров до двигателей в технике. Датчики использовались в видеомагнитофонах и кассетных магнитофонах класса «люкс». Пример — Вега- МП122.

Используются датчики Холла и в смартфонах для решения самых разных задач, включая:

• Работа цифрового компаса, который применятся в навигационных программах и помогает повышать скорость позиционирования.
• Оптимизация взаимодействия девайса с разными аксессуарами, например, магнитными чехлами.
• Применение датчика в моделях с раскладной конструкцией, для включения и отключения экрана при открывании или закрывании крышки.

Как это работает?

В сети есть многочисленные видео, объясняющие физические принципы, лежащие в основе эффекта Холла. Но понять можно и без всяких видео — здесь все относительно просто. Представьте себе проводник размером и формой повторяющий денежную купюру. Левая и правая сторона подключены к источнику постоянного тока, который и проходит через проводник. Если проводник исправен, то без воздействия магнитного поля напряжение в верхней и нижней части проводника будет близким к нулю.

Но если в системе появится магнитное поле, линии которого расположены под прямым углом к течению тока, на электроны и дырки в проводнике начинает воздействовать сила Лоренца. Частицы начинают отклоняться. Соответственно, электроны соберутся на одной стороне проводника, а на другой их не будет.

При помощи мультиметра можно измерить напряжение на верхней и нижней частях проводника. Если убрать магнитное поле, то напряжение снова станет почти равным нулю.

В устройствах, где используется эффект Холла, добавляется еще одна схема, где обычно присутствует усилитель холловского напряжения. Иногда есть регулятор напряжения смещения. У цифрового выходного датчика может быть компаратор и выходной транзистор.

Все датчики — разные

Есть две основные разновидности датчиков Холла — это цифровые датчики, которые, в свою очередь, разделяются на униполярные и биполярные. А также аналоговые датчики.

Если вы хотите использовать датчик Холла в своем проекте, нужно детально разобраться в его базовых характеристиках. У датчиков есть ограничения по частотному диапазону, плюс некоторые могут быть весьма дорогими. Например, у компании Melexis есть девайс на 250 кГц, эта частота гораздо более высокая, чем у большинства похожих систем. Работать оно будет только при 5В и 15 мА.

В примере даташита показано, что есть две разновидности этого датчика — 7,5 mT (миллитесла), второй — 20 mT. Есть даже версия с 60 mT.

Датчики Холла могут быть встроены в электронные схемы. Например, у ESP32 есть собственный датчик Холла, как показано на видео выше.

Разработка систем на основе эффекта Холла

Как и было показано выше, придумать можно много чего. В качестве примера можно привести еще портативный магнетометр, плата которого умещается в пластиковую коробочку из-под Tic Tac. С его помощью можно облегчить задачу отслеживания проложенной в стене или потолке электропроводки. Еще один пример — мониторинг кофе-машин, с целью оценки количества приготовленных чашек кофе.

Понятие и применение эффекта Холла

Добавлено 21 декабря 2015 в 08:00

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

• Robert Keim. Understanding and Applying the Hall Effect

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

Эффект Холла

Эффект Холла

Если электрический ток течет по проводнику в магнитном поле, магнитное поле действует на движущиеся носители заряда поперечную силу, которая стремится оттолкнуть их к одной стороне проводника. Это наиболее очевидно в тонком плоском проводнике, как показано на рисунке. Накопление заряда на сторонах проводников уравновешивает это магнитное влияние, создавая измеримое напряжение между двумя сторонами проводника. Наличие этого измеримого поперечного напряжения называется эффектом Холла в честь Э. Х. Холла, открывшего его в 1879 г.. Обратите внимание, что направление тока I на диаграмме совпадает с направлением обычного тока, так что движение электронов происходит в противоположном направлении. Это еще больше сбивает с толку все манипуляции с «правилом правой руки», через которые вам нужно пройти, чтобы получить направление сил. Напряжение Холла определяется как . В Н = IB/нед , где n = плотность мобильных зарядов и e = заряд электрона. Эффект Холла можно использовать для измерения магнитных полей с помощью датчика Холла. Датчик Холла для измерения магнитного поля

Индекс Применение магнитных сил Концепции магнитного поля

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Поперечное напряжение (эффект Холла), измеренное датчиком Холла, возникает из-за магнитной силы, действующей на движущийся носитель заряда. Магнитная сила равна F м = ev d B, где v d — скорость дрейфа заряда. Ток, выраженный через скорость дрейфа, равен I = neAv d , где n — плотность носителей заряда. Затем F м = eIB/neA В равновесии F м =F e =V H e/W И замена дает В Н = IB/нед	Index Electromagnetic force Magnetic force Magnetic field concepts
HyperPhysics***** Electricity and Magnetism R Nave	Назад

Измерение больших магнитных полей порядка Тесла часто выполняется с использованием эффекта Холла. Тонкопленочный датчик Холла помещают в магнитное поле и измеряют поперечное напряжение (порядка микровольт). 9вольт.

Index

Electromagnetic force

Magnetic force

Magnetic field concepts

 

HyperPhysics***** Electricity and Magnetism

R Nave

Назад

Эффект Холла — это явление проводимости, которое различно для разных носителей заряда. В большинстве распространенных электрических приложений обычный ток используется отчасти потому, что не имеет значения, считаете ли вы движущимся положительный или отрицательный заряд. Но напряжение Холла имеет разную полярность для положительных и отрицательных носителей заряда, и его использовали для изучения деталей проводимости в полупроводниках и других материалах, которые демонстрируют комбинацию отрицательных и положительных носителей заряда. Эффект Холла можно использовать для измерения средней скорости дрейфа носителей заряда путем механического перемещения зонда Холла с различными скоростями до тех пор, пока напряжение Холла не исчезнет, ​​показывая, что теперь носители заряда не движутся относительно магнитного поля. Другие типы исследований поведения носителей изучаются в квантовом эффекте Холла.

Указатель Электромагнитная сила Магнитная сила Концепции магнитного поля

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Простое объяснение того, как индуцируется напряжение Холла

Уровень 3 (с высшей математикой)

Уровень 3 требует основ векторного исчисления, дифференциального и интегрального исчисления. Подходит для студентов и старшеклассников.

Обновлено Александром Фуфаевым на 01. 04.2022

Содержание

1. Выберите образец Холла: металл или полупроводник
2. Пропустите ток через пластину Холла
3. Поместите образец Холла с током в магнитное поле
4. Что такое эффект Холла и как генерируется напряжение Холла?
5. Что такое постоянная Холла и как ее определить?

Видео — эффект Холла и простой расчет напряжения Холла

Воспроизвести видео: Keynote (Google I/O ’18)

Эффект Холла — очень важный физический эффект, который используется для измерения магнитных полей, плотности носителей заряда или коэффициенты Холла различных материалов.

To demonstrate the Hall effect, you need four things:

1. A Hall sample (metal foil, plate, etc.)

2. External magnetic field

3. Voltmeter

4. Ammeter

Выберите образец Холла: Металл или полупроводник

Прямоугольная пластина Холла и ее размеры.

Для эффекта Холла берется проводящая пластина толщиной \(d\) и шириной \(h\).

Материал пластины Холла также важен. Чаще всего он изготавливается из…

• a металла (например, алюминия, меди, серебра и т. д.)

• или полупроводника (например, кремния, германия).

Если пластина Холла представляет собой металл, то электроны отвечают за электрическую проводимость, как только вы прикладываете напряжение к металлической пластине. Алюминий, например, является исключением. В алюминии это не электроны, а так называемые отверстий , отвечающих за электропроводность.

Дырка в отличие от электрона положительно заряжена (с положительным элементарным зарядом +е) и означает: отсутствие электрона ! Эту дырочную проводимость можно реализовать в полупроводниках, если загрязнить полупроводник элементами из 3-й основной группы периодической таблицы. Тогда у вас есть p-легированный полупроводник, в котором преобладает дырочная проводимость.

Подача тока через пластину Холла

Электронный ток через пластину Холла.

После того, как вы выбрали подходящую пластину Холла, вы подаете напряжение на оба конца пластины (правый и левый). Это создает электрический ток \(I), который течет от одного конца пластины к другому. Если вы хотите измерить этот ток, вы должны, конечно, установить в свою цепь амперметр .

В зависимости от выбранного материала в электрическом токе преобладают отрицательно заряженных электронов или положительно заряженными отверстиями .

Обычно движение зарядов в пластине неупорядоченное (хаотичное). Однако, прикладывая внешнее напряжение, вы заставляете движущиеся заряды течь в определенном направлении (то есть к противоположному полюсу). Скорость, с которой они текут в фиксированном направлении, называется скоростью дрейфа \(v\).

Эти электрические заряды движутся влево или вправо с определенной дрейфовой скоростью. Если электроны (при заданной полярности напряжения) будут двигаться влево, то дырки (при той же полярности напряжения) будут двигаться в противоположном направлении, то есть в данном случае вправо.

Поместите образец Холла с током в магнитное поле

Теперь поместите пластину, по которой течет ток, в магнитное поле \( B \). Выровняйте пластину таким образом, чтобы силовые линии магнитного поля проходили через пластину перпендикулярно, то есть под углом 90°. Это облегчает изучение эффекта Холла.

Итак, магнитное поле направлено либо в плоскость (экран), либо вне плоскости.

Магнитное поле входит в самолет. Магнитное поле направлено ВНЕ плоскости.

Что такое эффект Холла и как генерируется напряжение Холла?

Возьмем электроны для объяснения эффекта Холла (объяснение работает аналогично с дырками). Пусть электроны движутся из левой части пластины в правую. Кроме того, давайте рассмотрим магнитное поле \(B\), направленное ВНУТРИ плоскости.

У нас есть электрический ток \(I\), состоящий из отрицательно заряженных электронов, движущихся через магнитное поле \(B\). На движущиеся электроны действует магнитная сила \(F_{\text m}\) (сила Лоренца) в магнитном поле, которая отклоняет электроны в верхнюю или нижнюю часть пластины.

Средний палец правила левой руки показывает направление магнитной силы.

Отклоняются ли электроны вниз или вверх, зависит от выбранного направления магнитного поля и направления тока. Затем правило левой руки указывает направление магнитной силы. В нашем случае:

• Большой палец указывает влево, потому что электроны движутся влево.

• Указательный палец указывает на экран, потому что магнитное поле указывает на экран.

• Средний палец указывает направление действия магнитной силы. Таким образом, электроны отклоняются в верхнюю часть пластины.

На движущийся электрон в пластине Холла действует магнитная и электрическая силы.

Электроны постепенно накапливаются в верхней части пластины. Таким образом, в верхней области больше электронов, чем в нижней. Итак, наверху у вас есть избыток электронов , а внизу у вас дефицит электронов .

Эта разница в заряде вызывает электрическое поле \(E \), которое по определению направлено от положительного полюса (нижняя часть) к отрицательному полюсу (верхняя часть). Все остальные электроны, проходящие через пластину, теперь испытывают не только магнитную, но и электрическую силу \(F_{\text e}\). Эта сила действует на электроны вниз, потому что они притягиваются к положительному полюсу.

Это отклонение электронов происходит до тех пор, пока не установится равновесие сил .

Равновесие между электрической и магнитной силой

Формула якоря $$ \begin{align} F_{\text e} ~=~ F_{\text m} \end{align} $$

Верхняя и нижняя части пластины соответствуют противоположно заряженным электродам пластинчатого конденсатора, расположенным на расстоянии \(ч\) друг от друга. Здесь \(h\) — также ширина холловской пластины.

Однородное электрическое поле пластинчатого конденсатора связано с напряжением \(U_{\text H}\) между пластинами следующим образом:

Формула для электрического поля Холла

Формула якоря $$ \begin{ align} E ~=~ \frac{ U_{\text H} }{h } \end{align} $$

Напряжение \( U_{\text H} \) называется напряжением Холла . В отличие от электрического поля внутри пластины, напряжение Холла можно легко измерить непосредственно с помощью вольтметра.

После нескольких простых шагов мы можем вывести формулу для напряжения Холла:

Формула: напряжение Холла

Якорь формулы $$ \begin{align} U_{\text H} ~=~ A_{\text H} \, \frac{I \, B}{ d } \end{ align} $$

Здесь \(d\) — толщина пластины, а \(A_{\text H}\) — так называемая постоянная Холла (или коэффициент Холла).

Что такое эффект Холла?

Эффект Холла — это генерация напряжения Холла в пластине, которая находится в магнитном поле и через которую протекает ток.

Напряжение Холла из-за силы Лоренца, действующей на электроны. Напряжение Холла из-за силы Лоренца на дырках.

Что такое постоянная Холла и как ее определить?

Постоянная Холла \( A_{\text H} \) — это константа, зависящая от используемого материала.

Формула: Коэффициент Холла

Якорь формулы $$ \begin{align} A_{\text H} ~=~ \frac{1}{n \, q} \end{align} $$

Холл константа зависит от плотности носителей заряда \(n\). В нашем случае она зависит от количества электронов проводимости в объеме пластины. Но это также зависит от заряд \(q\), который несет одна частица. В нашем случае \( q \) — это отрицательный элементарный заряд \(q = — e \). Следовательно, постоянная Холла равна минус . Однако оно также может быть положительным , если за проводимость отвечают дырки, а не электроны.

С помощью полученной формулы 3 можно экспериментально определить постоянную Холла. Можно измерить силу тока амперметром, напряжение Холла вольтметром, установить магнитное поле самостоятельно и измерить толщину пластины линейкой:

Определение коэффициента Холла в эксперименте

Якорь формулы $$ \begin{align} A_{\text H} ~=~ \frac{U_{\text H} \, d}{I \, \class{ violet}{B}} \end{align} $$

После того, как вы определили постоянную Холла, вы можете использовать ее для определения плотности носителей заряда на пластине по уравнению. 4 , а по знаку постоянной Холла вы знаете, преобладают ли в токе через пластину электроны или дырки.

Таблица: Примеры различных констант Холла.

Material	Hall constant \(A_{\text H}\)
Cuprium (Copper)	-5.3 · 10 -11 m 3 / C
Aluminum	+9.9 · 10 -11 m 3 / C
Argentium (Silver)	-8.9 · 10 -11 m 3 / С

Также обратите внимание, что плотность носителей заряда зависит от температуры пластины, как и постоянная Холла.

эффект холла

Эффект Холла относится к разности потенциалов ( Напряжение Холла ) на противоположных сторонах электрического проводника, по которому протекает электрический ток, создаваемой магнитным полем, приложенным перпендикулярно току. Эдвин Холл открыл этот эффект в 1879 году.

Отношение создаваемого напряжения к произведению силы тока и магнитного поля на толщину элемента известно как Коэффициент Холла . Это характеристика материала, из которого изготовлен проводник, так как ее величина зависит от вида, количества и свойств носителей заряда, из которых состоит ток.

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое 1 Пояснение 1.1 Эффект Холла в полупроводниках 1.2 Технологические приложения 1.3 Квантовый эффект Холла 1.4 Квантовый спиновой эффект Холла 1.5 Эффект Холла в магнитных системах 2 Приложения 2.1 Преимущества перед другими методами 2.1.1 Ферритовый тороидальный преобразователь тока на эффекте Холла 2.1.2 Накладной датчик с разрезным кольцом 2.2 Аналоговое умножение 2. 3 Измерение мощности 2.4 Определение положения и движения 2.4.1 Автомобильное зажигание и впрыск топлива 2.4.2 Датчик вращения колеса 2.4.3 Управление энергопотреблением солнечной машины 2.4.4 Управление электродвигателем 2.4.5 Промышленное применение 3 Эффект Корбино 4 См. также 5 Каталожные номера

Пояснение

Эффект Холла возникает из-за характера протекания тока в проводнике. Ток состоит из движения множества мелких «частиц», несущих заряд (обычно, но не всегда, электронов). Эти заряды испытывают силу, называемую силой Лоренца, когда присутствует магнитное поле, не параллельное их движению. Когда такое магнитное поле отсутствует, заряды следуют примерно по прямой траектории «прямой видимости». Однако, когда приложено перпендикулярное магнитное поле, их путь искривляется, так что движущиеся заряды накапливаются на одной стороне материала. Это оставляет равные и противоположные заряды открытыми на другой стороне, где не хватает мобильных зарядов. Результатом является асимметричное распределение плотности заряда по элементу Холла, которое перпендикулярно как пути «прямой видимости», так и приложенному магнитному полю. Разделение заряда создает электрическое поле, препятствующее перемещению следующего заряда, поэтому постоянный электрический потенциал сохраняется до тех пор, пока течет ток.

Для простого металла, в котором имеется только один тип носителей заряда (электроны), напряжение Холла В _Г определяется выражением

Коэффициент Холла определяется как

где I — ток по длине пластины, B — плотность магнитного потока, d — глубина пластины, e — заряд электрона, n — заряд плотность носителей заряда электронов.

В результате эффект Холла очень полезен как средство измерения как плотности носителей, так и магнитного поля.

Одна очень важная особенность эффекта Холла заключается в том, что он различает положительные заряды, движущиеся в одном направлении, и отрицательные заряды, движущиеся в противоположном. Эффект Холла стал первым реальным доказательством того, что электрический ток в металлах переносится движущимися электронами, а не протонами. Эффект Холла также показал, что в некоторых веществах (особенно в полупроводниках) более уместно думать о токе как о движущихся положительных «дырках», а не об отрицательных электронах.

Эффект Холла в полупроводниках

Когда полупроводник с током находится в магнитном поле, носители полупроводника испытывают силу в направлении, перпендикулярном магнитному полю и полю тока, это называется эффектом Холла в полупроводниках.

Eh = Поле Холла

Простая формула для коэффициента Холла, приведенная выше, становится более сложной в полупроводниках, где носителями обычно являются как электроны, так и дырки, которые могут присутствовать в разных концентрациях и иметь разную подвижность. Для умеренных магнитных полей коэффициент Холла равен

где — концентрация электронов, концентрация дырок, подвижность электронов, подвижность дырок и электронный заряд.

Для больших прикладных полей справедливо более простое выражение, аналогичное выражению для одного типа носителя.

Технологические приложения

Так называемые «датчики на эффекте Холла» легко доступны у ряда различных производителей и могут использоваться в различных датчиках, таких как датчики потока жидкости, датчики мощности и датчики давления. Также многие другие применения в некоторых электрических пистолетах для страйкбола и часто используются на спусковых крючках многих электропневматических пейнтбольных ружей.

Квантовый эффект Холла

Для двумерной электронной системы, которую можно создать в MOSFET-транзисторе. При наличии большой напряженности магнитного поля и низкой температуры можно наблюдать квантовый эффект Холла, представляющий собой квантование напряжения Холла.

Квантовый спиновой эффект Холла

Для двумерных квантовых ям HgTe с сильной спин-орбитальной связью, в нулевом магнитном поле, при низкой температуре недавно наблюдался квантовый спиновый эффект Холла.

Эффект Холла в магнитных системах

В ферромагнитных материалах (и парамагнитных материалах в магнитном поле) удельное сопротивление Холла включает дополнительный вклад, известный как Аномальный эффект Холла (или Чрезвычайный эффект Холла ), который напрямую зависит от намагниченности материала, и часто намного больше, чем обычный эффект Холла. (Обратите внимание, что этот эффект равен , а не из-за вклада намагниченности в общее магнитное поле.) Хотя это хорошо известное явление, до сих пор ведутся споры о его происхождении в различных материалах. Аномальный эффект Холла может быть либо внешний (связанный с беспорядком) эффект из-за спин-зависимого рассеяния носителей заряда или внутренний эффект, который можно описать в терминах фазового эффекта Берри в пространстве импульсов кристалла ( k -пространство).

Приложения

Устройства на эффекте Холла

производят очень низкий уровень сигнала и поэтому требуют усиления. Хотя ламповые усилители, доступные в первой половине 20-го века, подходили для лабораторных приборов, они были слишком дорогими, энергоемкими и ненадежными для повседневного применения. Только с разработкой недорогой интегральной схемы датчик Холла стал пригодным для массового применения. Многие устройства, которые в настоящее время продаются как «датчики на эффекте Холла», на самом деле представляют собой устройства, содержащие как описанный выше датчик, так и усилитель на интегральной схеме (ИС) с высоким коэффициентом усиления в одном корпусе. Недавние достижения привели к добавлению преобразователей АЦП (аналогово-цифровых) и микросхемы I²C (протокол связи между интегральными схемами) для прямого подключения к порту ввода-вывода микроконтроллера, интегрированных в единый корпус, см. Усовершенствованный преобразователь тока на эффекте Холла. Электродвигатели с герконовым переключателем, использующие ИС на эффекте Холла, являются еще одним приложением.

Датчики Холла часто используются для измерения магнитных полей или проверки материалов (например, труб или трубопроводов) с использованием принципов рассеяния магнитного потока.

Преимущества перед другими методами

Устройства на эффекте Холла

при соответствующей упаковке невосприимчивы к пыли, грязи, грязи и воде. Эти характеристики делают устройства на эффекте Холла лучшими для определения положения, чем альтернативные средства, такие как оптическое и электромеханическое определение. Когда электроны проходят через проводник, создается магнитное поле. Таким образом, можно создать бесконтактный датчик тока. Устройство имеет три контакта. Напряжение датчика подается на две клеммы, а на третью подается напряжение, пропорциональное измеряемому току. Это имеет несколько преимуществ; нет дополнительного сопротивления ( шунт , необходимый для наиболее распространенного метода измерения тока) необходимо вставить в первичную цепь. Кроме того, напряжение на измеряемой линии не передается на датчик, что повышает безопасность измерительного оборудования.

Ферритовый тороидальный преобразователь тока на эффекте Холла

Датчики Холла могут легко обнаруживать рассеянные магнитные поля, в том числе поля Земли, поэтому они хорошо работают в качестве электронных компасов: но это также означает, что такие поля рассеяния могут мешать точным измерениям слабых магнитных полей. Чтобы решить эту проблему, датчики Холла часто интегрируют с каким-либо магнитным экранированием. Например, датчик Холла, встроенный в ферритовое кольцо (как показано на рисунке), может уменьшить поля рассеяния в 100 и более раз. Эта конфигурация также обеспечивает улучшение отношения сигнал-шум и дрейфа более чем в 20 раз по сравнению с «голым» устройством Холла. Диапазон данного проходного датчика может быть расширен вверх и вниз с помощью соответствующей проводки. Чтобы расширить диапазон до более низких токов, через отверстие можно сделать несколько витков токоведущего провода. Чтобы расширить диапазон до более высоких токов, можно использовать делитель тока. Делитель распределяет ток по двум проводам разной ширины, и более тонкий провод, несущий меньшую долю общего тока, проходит через датчик.

Принцип увеличения количества «витков», которые проводник делает вокруг ферритового сердечника, хорошо известен, каждый виток приводит к «усилению» измеряемого тока. Часто эти дополнительные витки выполняются скобой на печатной плате.

Накладной датчик с разъемным кольцом

Вариант кольцевого датчика использует разъемный датчик, который крепится к линии, что позволяет использовать устройство во временном испытательном оборудовании. При использовании в стационарной установке разъемный датчик позволяет проверять электрический ток без демонтажа существующей цепи.

Аналоговое умножение

Выход пропорционален как приложенному магнитному полю, так и приложенному напряжению датчика. Если магнитное поле создается соленоидом, выходной сигнал датчика пропорционален произведению тока через соленоид и напряжения датчика. Поскольку большинство приложений, требующих вычислений, в настоящее время выполняются небольшими (даже крошечными) цифровыми компьютерами, остается полезное приложение для измерения мощности, которое сочетает измерение тока с измерением напряжения в одном устройстве на эффекте Холла.

Датчик мощности

Измеряя ток, подаваемый на нагрузку, и используя приложенное к устройству напряжение в качестве напряжения датчика, можно определить мощность, рассеиваемую устройством. Эта мощность (для устройств постоянного тока) является произведением тока и напряжения. С соответствующей доработкой устройства могут быть применены к приложениям переменного тока, где они способны считывать реальную мощность, производимую или потребляемую устройством.

Определение положения и движения

Устройства на эффекте Холла

, используемые в датчиках движения и концевых выключателях движения, могут обеспечить повышенную надежность в экстремальных условиях. Поскольку в датчике или магните нет движущихся частей, типичный ожидаемый срок службы увеличивается по сравнению с традиционными электромеханическими переключателями. Кроме того, датчик и магнит могут быть заключены в соответствующий защитный материал.

Автомобильное зажигание и впрыск топлива

Если магнитное поле создается вращающимся магнитом, напоминающим зубчатую шестерню, выходной импульс будет генерироваться каждый раз, когда зубец проходит датчик. Он используется в современных автомобильных системах зажигания с первичным распределителем, заменяя более ранний контактный прерыватель («точки», которые были подвержены износу и требовали периодической регулировки и замены). Аналогичные сигналы датчиков используются для управления многоточечными системами последовательного впрыска топлива, в которых на впускной канал каждого цилиндра подается топливо из форсунки, состоящей из распылительного клапана, регулируемого соленоидом. Последовательности синхронизируются в соответствии с открытием впускного клапана и продолжительностью каждой последовательности блоком управления двигателем (компьютером).

Датчик вращения колеса

Датчик вращения колеса особенно полезен в антиблокировочных тормозных системах. Принципы таких систем были расширены и усовершенствованы, чтобы предлагать больше, чем функции противоскольжения, теперь обеспечивая расширенные усовершенствования транспортного средства «, управляемые ».

Управление электроэнергией автомобиля на солнечных батареях

Точное и эффективное управление всеми аспектами энергии является критическим аспектом любого успешного автомобиля на солнечных батареях. Преобразователи тока на эффекте Холла являются идеальным решением благодаря их высокой точности, экологической устойчивости и низкому энергопотреблению.

Управление электродвигателем

В некоторых типах бесщеточных электродвигателей постоянного тока используются датчики Холла для определения положения ротора и передачи этой информации в контроллер двигателя.

Промышленное применение

Применение датчиков Холла также расширилось до промышленного/внедорожного рынка, где теперь используются джойстики Холла для управления гидравлическими клапанами, заменяющими традиционные механические рычаги. Такие приложения включают в себя; Карьерные самосвалы, экскаваторы-погрузчики, краны, экскаваторы, ножничные подъемники и т. д. Ведущим производителем промышленных джойстиков на эффекте Холла является P-Q Controls, Inc., которая была одной из первых компаний, расширивших использование датчиков Холла для таких приложений в промышленности. 1980-х, и на самом деле имеет эксклюзивные патенты на бесконтактное зондирование.

Эффект Корбино

Эффект Корбино — явление, подобное эффекту Холла, но вместо прямоугольного металлического образца используется дискообразный. Радиальный ток через круглый диск, находящийся в магнитном поле, перпендикулярном плоскости диска, создает «круговой» ток через диск.

См. также

• Конденсатор
• Вихревые токи
• Элементарная зарядка
• Двигатель на эффекте Холла
• Зонд Холла
• Эффект Нернста
• Эффект Нернста-Эттингхаузена
• Квантовый эффект Холла
• Тепловой эффект Холла
• Преобразователь
• Метод Ван дер Пау

Каталожные номера

Общие

• Статья Science World (wolfram. com).
• « Эффект Холла «. nist.gov.
• Холл, Эдвин, О новом действии магнита на электрические токи «. Американский журнал математики, том 2, 1879 г.
• Эффект спинового Холла обнаружен при комнатной температуре

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, тогда электрическое поле возникает по краям металла или полупроводника образец. Это явление называется Эффект Холла.

Объяснение эффекта Холла

Рассмотрим кусок металла, помещенный в магнитное поле. И магнитное поле перпендикулярно образцу металла или полупроводника. Теперь через образец металла или полупроводника пропускают постоянный ток таким образом, чтобы направление потока тока было вдоль положительного направления оси X.

Магнитное поле прикладывается таким образом, что магнитное поле действует вдоль положительного направления оси Z. В соответствии с геометрией координат оси X, оси Y и оси Z перпендикулярны друг другу. Таким образом, путь прохождения тока перпендикулярен пути, вдоль которого действует магнитное поле.

Магнитное поле действует вдоль положительного направления Z, таким образом, северный полюс можно считать направленным вверх к металлической плите, а южный полюс можно считать направленным вниз к металлической плите. Следовательно, когда в металлической пластине начинает течь ток, на носители заряда будет действовать сила магнитного поля.

Носители заряда, которые текут в положительном направлении оси X, будут отталкиваться вниз под действием магнитной силы. В полупроводнике N-типа основным компонентом, несущим ток, являются электроны, поэтому эти электроны будут выталкиваться вниз. На диаграмме, иллюстрирующей эффект Холла, совершенно очевидно, что нижняя поверхность имеет номер 1, а верхняя поверхность — номер 2.

Таким образом, в полупроводнике N-типа, когда пластина полупроводника 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 P В полупроводнике типа нижняя поверхность будет более положительной по отношению к верхней поверхности, т.е. поверхность 1 будет более положительной по отношению к поверхности 2. Это накопление 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, возникающего из-за эффекта Холла, уравновешивает магнитную силу, действующую на носители заряда из-за магнитного поля.

Следовательно, значение плотности заряда можно определить, если известны 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: —

Во внешних полупроводниках носителями тока являются 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:

Связь между подвижностью (μ), проводимостью (σ) и коэффициентом Холла (R _H ) может быть определена как:

Вышеуказанное Уравнение получено с учетом того, что носители заряда движутся со средней дрейфовой скоростью v. В то время как в реальном случае носители заряда имеют случайное тепловое распределение скорости. Таким образом, в соответствии с таким случайным распределением вышеприведенное уравнение может быть переопределено как:0006

Угол Холла: Результирующее электрическое поле (E) (из-за электрического поля в направлении X (Ex) и поля Холла, действующего в направлении Y (E _H )) образует некоторый угол с электрическая подача в направлении X (Ex). Это называется угол Холла . Этот угол обозначается ⱷ _H .

Применение эффекта Холла

Различные применения эффекта Холла :-

1. Для определения полярности: 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, может быть рассчитана его подвижность.
4. Измерение смещения и тока: Используется для измерения смещения и тока в механических датчиках.
5. Измерение мощности: Измерение мощности в электромагнитной волне можно выполнить с помощью эффекта Холла.

Эффект Холла играет важную роль в различных сенсорных устройствах. Таким образом, важно понять его работу в деталях.

Взаимодействие с читателем

Эффект Холла | Физика |

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать эффект Холла.
• Рассчитайте ЭДС Холла на проводнике с током.

Мы видели влияние магнитного поля на свободно движущиеся заряды. Магнитное поле также влияет на заряды, движущиеся в проводнике. Одним из результатов является эффект Холла, который имеет важные последствия и приложения. На рис. 1 показано, что происходит с зарядами, движущимися по проводнику в магнитном поле. Поле перпендикулярно скорости дрейфа электронов и ширине проводника. Обратите внимание, что условный ток находится справа в обеих частях рисунка. В части (а) электроны переносят ток и движутся влево. В части (b) положительные заряды переносят ток и движутся вправо. Движущиеся электроны испытывают магнитную силу по направлению к одной стороне проводника, оставляя чистый положительный заряд на другой стороне. Это разделение заряда создает напряжение ε , известное как ЭДС Холла , на проводнике. Создание напряжения на проводнике с током магнитным полем известно как эффект Холла в честь Эдвина Холла, американского физика, открывшего его в 1879 году.

Рисунок 1. Эффект Холла. (а) В этом плоском проводнике электроны движутся влево (условный ток вправо). Магнитное поле находится прямо за пределами страницы и представлено точками в кружках; он действует на движущиеся заряды с силой, вызывая напряжение ε , ЭДС Холла, поперек проводника. (b) Положительные заряды, движущиеся вправо (обычный ток тоже вправо), смещаются в сторону, создавая ЭДС Холла противоположного знака, –ε . Таким образом, зная направление поля и тока, можно определить знак носителей заряда по эффекту Холла.

Одним из очень важных применений эффекта Холла является определение того, переносят ли ток положительные или отрицательные заряды. Обратите внимание, что на рисунке 1 (b), где положительные заряды переносят ток, ЭДС Холла имеет знак, противоположный тому, когда отрицательные заряды переносят ток. Исторически эффект Холла использовался, чтобы показать, что электроны переносят ток в металлах, а также показывает, что положительные заряды переносят ток в некоторых полупроводниках. Эффект Холла используется сегодня в качестве инструмента исследования для изучения движения зарядов, их скоростей дрейфа и плотности и т. д. в материалах. В 1980 было обнаружено, что эффект Холла квантуется, что является примером квантового поведения в макроскопическом объекте.

Эффект Холла можно использовать и в других областях: от определения скорости кровотока до точного измерения напряженности магнитного поля. Чтобы исследовать их количественно, нам нужно выражение для ЭДС Холла ε на проводнике. Рассмотрим баланс сил на движущийся заряд в ситуации, когда B , v и l взаимно перпендикулярны, как показано на рис. 2. Хотя магнитная сила сдвигает отрицательные заряды в одну сторону, они не могут строить вверх без ограничений. Электрическое поле, вызванное их разделением, противодействует магнитной силе, F = qvB , а электрическая сила, F _e = qE , со временем вырастает и становится равной ей. То есть

qE = qvB

или

E = vB.

Обратите внимание, что электрическое поле E однородно по проводнику, потому что магнитное поле B однородно, как и проводник. Для однородного электрического поля соотношение между электрическим полем и напряжением составляет E  =  ε / l , где l — ширина проводника, а ε — ЭДС Холла. Ввод этого в последнее выражение дает

ϵl=vB\frac{\epsilon}{l}=vBlϵ​=vB

. Решение этого уравнения для ЭДС Холла дает

ε = Blv (B, v и l взаимно перпендикулярны),

, где ε — напряжение эффекта Холла на проводнике шириной

9 какие заряды движутся со скоростью в .

Рис. 2. ЭДС Холла ε создает электрическую силу, которая уравновешивает магнитную силу, действующую на движущиеся заряды. Магнитная сила вызывает разделение зарядов, которое накапливается до тех пор, пока не уравновесится электрической силой, равновесие, которое достигается быстро.

Одним из наиболее распространенных применений эффекта Холла является измерение напряженности магнитного поля B . Такие устройства, называемые датчиками Холла , можно сделать очень маленькими, что позволяет точно отображать положение. Датчики Холла также можно сделать очень точными, что обычно достигается путем тщательной калибровки. Еще одним применением эффекта Холла является измерение расхода жидкости в любой жидкости, которая имеет свободные заряды (большинство из них). (См. рис. 3.) Магнитное поле, приложенное перпендикулярно направлению потока, создает ЭДС Холла ε , как показано. Заметим, что знак ε зависит не от знака зарядов, а только от направлений B и v . Величина ЭДС Холла равна , где l — диаметр трубы, так что среднюю скорость v можно определить из ε при условии, что известны другие факторы.

Рис. 3. Эффект Холла можно использовать для измерения расхода любой жидкости, имеющей свободные заряды, например крови. ЭДС Холла ε измеряется поперек трубы перпендикулярно приложенному магнитному полю и пропорциональна средней скорости в .

Пример 1. Расчет ЭДС Холла: эффект Холла для кровотока

Датчик потока на эффекте Холла помещают на артерию, приложив к ней магнитное поле 0,100 Тл, в установке, аналогичной показанной на рисунке 3. Чему равна ЭДС Холла, если внутренний диаметр сосуда составляет 4,00 мм, а средняя скорость кровотока составляет 20,0 см/с?

Стратегия

Поскольку B , v и l взаимно перпендикулярны, уравнение 9{-3}\text{ m}\right)\left(0. 200\text{ м/с}\right)\\ & =& 80.0\text{ }\mu\text{V}\end{массив}\\ ϵ​==​Blv=(0,100 T)(4,00×10–3 м)(0,200 м/с)80,0 мкВ​

Обсуждение

Это среднее выходное напряжение. Мгновенное напряжение изменяется при пульсирующем токе крови. Напряжение в этом типе измерения мало. ε особенно трудно измерить, потому что существуют напряжения, связанные с работой сердца (напряжения ЭКГ), которые имеют порядок милливольт. На практике эта трудность преодолевается приложением переменного магнитного поля, так что ЭДС Холла является переменным с той же частотой. Усилитель может быть очень избирательным, выбирая только подходящую частоту, исключая сигналы и шумы на других частотах.

Резюме раздела

• Эффект Холла — это создание напряжения  ε , известного как ЭДС Холла, на проводнике с током магнитным полем.
• ЭДС Холла определяется выражением

  ε = Blv (B, v и l взаимно перпендикулярны)

  для проводника шириной 90 339 l 90 340, по которому заряды движутся со скоростью 90 339 v 90 340 .

Концептуальные вопросы

1. Обсудите, как можно использовать эффект Холла для получения информации о плотности свободного заряда в проводнике. (Подсказка: подумайте, как связаны скорость дрейфа и течение.)

Задачи и упражнения

1. Большой водопровод имеет диаметр 2,50 м и среднюю скорость течения воды 6,00 м/с. Найдите напряжение Холла, возникающее, если труба проходит перпендикулярно к полю Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ -T.

2. Какое напряжение Холла создается полем 0,200 Тл, приложенным к аорте диаметром 2,60 см при скорости кровотока 60,0 см/с?

3. (а) Какова скорость сверхзвукового самолета с размахом крыла 17,0 м, если он испытывает напряжение Холла 1,60 В между законцовками крыла при горизонтальном полете над северным магнитным полюсом, где напряженность поля Земли составляет 8,00 × 10 ^{− 5} Т? б) Объясните, почему из-за этого напряжения Холла протекает очень небольшой ток.

4. Немеханический водомер может использовать эффект Холла, прикладывая магнитное поле к металлической трубе и измеряя возникающее напряжение Холла. Какова средняя скорость жидкости в трубе диаметром 3,00 см, если поле 0,500 Тл поперек нее создает напряжение Холла 60,0 мВ?

5. Рассчитайте напряжение Холла, индуцируемое на сердце пациента во время сканирования на аппарате МРТ. Аппроксимируйте проводящую дорожку на стенке сердца проводом длиной 7,50 см, который движется со скоростью 10,0 см/с перпендикулярно магнитному полю силой 1,50 Тл.

6. Зонд Холла, откалиброванный для считывания 1,00 мкВ при помещении в поле 2,00 Тл, помещают в поле 0,150 Тл. Какое у него выходное напряжение?

7. Используя информацию из примера 2: расчет сопротивления: сопротивление горячей нити, каким будет напряжение Холла, если поле силой 2,00 Тл приложить к медному проводу 10-го калибра (диаметром 2,588 мм), по которому течет ток 20,0 А?

8. Покажите, что напряжение Холла на проводах из одного и того же материала, по которым текут одинаковые токи и которые находятся в одном и том же магнитном поле, обратно пропорционально их диаметру. (Подсказка: обратите внимание на то, как скорость дрейфа зависит от диаметра проволоки.)

9. Пациента с кардиостимулятором ошибочно сканируют для получения МРТ-изображения. Участок провода кардиостимулятора длиной 10,0 см движется со скоростью 10,0 см/с перпендикулярно магнитному полю аппарата МРТ, и индуцируется напряжение Холла 20,0 мВ. Какова напряженность магнитного поля?

Глоссарий

Эффект Холла:

создание напряжения на проводнике с током магнитным полем

ЭДС Холла:

электродвижущая сила, создаваемая проводником с током магнитным полем 9,0339 ε = Blv

Избранные решения задач и упражнений

1. 7,50 × 10 ⁻⁴ В 3. (a) 1,18 × 10 ³ м/с (b) После установления ЭДС Холла толкает заряды в одном направлении, а магнитная сила действует в противоположном направлении, в результате чего суммарная сила на заряды не действует. Следовательно, ток не течет в направлении ЭДС Холла. Это то же самое, что и в проводнике с током — ток течет не в направлении ЭДС Холла.

5. 11,3 мВ

7. 1,16 мкВ 9. 2,00 Т

Лицензии и ссылки

Контент по лицензии CC, совместно используемый ранее

• College Physics. Автор : Колледж OpenStax. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/1-introduction-to-science-and-the-realm-of-physics-physical-quantities-and-units. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Находится в Лицензии

Эффект Холла | Инжиниринг | Фэндом

в: Машиностроение, Машиностроение, Автомобиль

Диаграмма эффекта Холла, показывающая поток электронов (а не обычный ток).
Условные обозначения :
1. Электроны (не обычный ток!)
2. Элемент Холла или датчик Холла
3. Магниты
4. Магнитное поле
5. Источник питания
Описание :
На чертеже «А», элемент Холла принимает отрицательный заряд на верхнем краю (обозначается синим цветом) и положительный на нижнем краю (красный цвет). В «B» и «C» либо электрический ток, либо магнитное поле меняются местами, что приводит к изменению поляризации. Изменение направления тока и магнитного поля (рисунок «D») заставляет элемент Холла снова принимать отрицательный заряд на верхнем краю.

Эффект Холла относится к разности потенциалов ( Напряжение Холла ) на противоположных сторонах тонкого листа проводящего или полупроводникового материала в форме «стержня Холла» или элемента Ван-дер-Пау, через который проходит электрический ток течет, создаваемый магнитным полем, приложенным перпендикулярно элементу Холла. Отношение создаваемого напряжения к величине тока известно как сопротивление Холла и является характеристикой материала элемента. Доктор Эдвин Холл открыл этот эффект в 1879 году..

Содержимое

• 1 Анализ
• 2 Приложения
  • 2.1 Преимущества перед другими методами
    • 2.1.1 Накладной датчик с разрезным кольцом
  • 2.2 Аналоговое умножение
  • 2.3 Измерение мощности
  • 2.4 Определение положения и движения
    • 2.4.1 Автомобильное зажигание и впрыск топлива
    • 2.4.2 Датчик вращения колеса
• 3 Эффект Корбино
• 4 См. также
• 5 Внешние ссылки и ссылки

Analysis[]

Эффект Холла возникает из-за характера протекания тока в проводнике. Ток состоит из множества небольших несущих заряд «частиц» (обычно электронов), которые испытывают силу (называемую силой Лоренца) из-за магнитного поля. Некоторые из этих элементов заряда в конечном итоге отбрасываются к сторонам проводников, где они создают пул чистого заряда. Это заметно только в больших проводниках, где расстояние между двумя сторонами достаточно велико.

Одна очень важная особенность эффекта Холла заключается в том, что он различает положительные заряды, движущиеся в одном направлении, и отрицательные заряды, движущиеся в противоположном. Эффект Холла стал первым реальным доказательством того, что электрический ток в металлах переносится движущимися электронами, а не протонами. Интересно, что эффект Холла также показал, что в некоторых веществах (особенно в полупроводниках) правильнее думать о токе как о движущихся положительных «дырках», а не об отрицательных электронах.

Измеряя напряжение Холла на элементе, можно определить силу приложенного магнитного поля. Это можно выразить как

где В _H — напряжение по ширине пластины, I — ток по длине пластины, B — магнитное поле, d — глубина пластины, e — заряд электрона, n — объемная плотность электронов-носителей.

Так называемые датчики на эффекте Холла легко доступны от различных производителей и могут использоваться в различных датчиках, таких как датчики потока жидкости, датчики мощности и датчики давления.

В присутствии большой напряженности магнитного поля и низкой температуры можно наблюдать квантовый эффект Холла, который представляет собой квантование сопротивления Холла.

В ферромагнитных материалах (и парамагнетиках в магнитном поле) удельное сопротивление Холла включает дополнительный вклад, известный как Аномальный эффект Холла (или Чрезвычайный эффект Холла ), который напрямую зависит от намагниченности материала и часто намного больше, чем обычный эффект Холла. (Обратите внимание, что этот эффект равен , а не из-за вклада намагниченности в общее магнитное поле.) Хотя это хорошо известное явление, до сих пор ведутся споры о его происхождении в различных материалах. Аномальный эффект Холла может быть либо внешним (связанным с беспорядком) эффектом из-за спин-зависимого рассеяния носителей заряда, либо0061 собственный эффект, который можно описать в терминах фазового эффекта Берри в пространстве импульсов кристалла ( k -пространство).

Применение[]

Устройства на эффекте Холла производят очень низкий уровень сигнала и поэтому требуют усиления. Хотя ламповые усилители, доступные в первой половине 20-го века, подходили для лабораторных приборов, они были слишком дорогими, энергоемкими и ненадежными для повседневного применения. Только с разработкой недорогой интегральной схемы датчик Холла стал пригодным для массового применения. Многие устройства, которые в настоящее время продаются как «датчики на эффекте Холла», на самом деле представляют собой устройства, содержащие как описанный выше датчик, так и усилитель на интегральной схеме (ИС) с высоким коэффициентом усиления в одном корпусе. Электродвигатели с герконовым переключателем, использующие ИС на эффекте Холла, являются еще одним приложением.

Преимущества по сравнению с другими методами[]

Устройства на эффекте Холла в соответствующей упаковке невосприимчивы к пыли, грязи, грязи и воде. Эти характеристики делают устройства на эффекте Холла лучшими для определения положения, чем альтернативные средства, такие как оптическое и электромеханическое определение.

Датчик тока на эффекте Холла с внутренним усилителем на интегральной схеме. Отверстие 8 мм. Выходное напряжение с нулевым током находится посередине между напряжениями питания, которые поддерживают дифференциал от 4 до 8 вольт. Реакция на ненулевой ток пропорциональна подаваемому напряжению и линейна до 60 ампер для данного конкретного (25 А) устройства.

Когда электроны проходят через проводник, создается магнитное поле. Таким образом, можно создать бесконтактный датчик тока. Устройство имеет три контакта. Напряжение датчика подается на две клеммы, а на третью подается напряжение, пропорциональное измеряемому току. Это имеет несколько преимуществ; в первичную цепь не нужно вставлять сопротивление («шунт»). Кроме того, напряжение на измеряемой линии не передается на датчик, что повышает безопасность измерительного оборудования.

Диапазон данного проходного датчика может быть расширен вверх и вниз с помощью соответствующей проводки. Чтобы расширить диапазон до более низких токов, через отверстие можно сделать несколько витков токоведущего провода. Чтобы расширить диапазон до более высоких токов, можно использовать делитель тока. Делитель разделяет ток по двум проводам разной ширины, и более тонкий провод, несущий меньшую долю общего тока, проходит через датчик.

Накладной датчик с разрезным кольцом[]

Вариант кольцевого датчика использует разъемный датчик, который крепится к линии, что позволяет использовать устройство во временном испытательном оборудовании. При использовании в стационарной установке разъемный датчик позволяет проверять электрический ток без демонтажа существующей цепи.

Аналоговое умножение[]

Выходной сигнал пропорционален как приложенному магнитному полю, так и приложенному напряжению датчика. Если магнитное поле создается соленоидом, выходной сигнал датчика пропорционален произведению тока через соленоид и напряжения датчика. Поскольку большинство приложений, требующих вычислений, в настоящее время выполняются небольшими (даже крошечными) цифровыми компьютерами, остается полезное приложение для измерения мощности, которое сочетает измерение тока с измерением напряжения в одном устройстве на эффекте Холла.

Измерение мощности[]

Измеряя ток, подаваемый на нагрузку, и используя приложенное к устройству напряжение в качестве напряжения датчика, можно определить мощность, протекающую через устройство. Эта мощность (для устройств постоянного тока) является произведением тока и напряжения. С соответствующей доработкой устройства могут быть применены к приложениям переменного тока, где они способны считывать реальную мощность, производимую или потребляемую устройством.

Датчик положения и движения[]

Устройства на эффекте Холла, используемые в датчиках движения и концевых выключателях движения, могут обеспечить повышенную надежность в экстремальных условиях. Поскольку в датчике или магните нет движущихся частей, типичный ожидаемый срок службы увеличивается по сравнению с традиционными электромеханическими переключателями. Кроме того, датчик и магнит могут быть заключены в соответствующий защитный материал.

Автомобильное зажигание и впрыск топлива[]

Если магнитное поле создается вращающимся магнитом, напоминающим зубчатую шестерню, выходной импульс будет генерироваться каждый раз, когда зубец проходит датчик. Это используется в современных автомобильных системах зажигания с первичным распределителем, заменяя более ранние точки «размыкателя» (которые были подвержены износу и требовали периодической регулировки и замены). Аналогичные сигналы датчиков используются для управления многоточечными системами последовательного впрыска топлива, в которых на впускной канал каждого цилиндра подается топливо из форсунки, состоящей из распылительного клапана, регулируемого соленоидом. Последовательности синхронизированы в соответствии с открытием впускного клапана, а продолжительность каждой последовательности (управляемой компьютером) определяет количество подаваемого топлива.

Датчик вращения колеса[]

Датчик вращения колеса особенно полезен в антиблокировочных тормозных системах. Принципы таких систем были расширены и усовершенствованы, чтобы предлагать больше, чем функции противоскольжения, теперь обеспечивая расширенные улучшения «управляемости» автомобиля.

Эффект Корбино[]

Эффект Корбино — это явление, основанное на эффекте Холла, но вместо прямоугольного металлического образца используется дискообразный металлический образец.