В чем заключается эффект холла: Эффект Холла

Содержание

Электричество и магнетизм

В 1880 г. Э. Холл обнаружил, что в проводнике, помещенном в магнитное поле, возникает разность потенциалов в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции B и току I. Объясняется это действием силы Лоренца на заряды, движущиеся в проводнике.

 На рисунке 5.22 изображена пластина из проводника, которую пронизывает магнитное поле с индукцией B, направленное перпендикулярно чертежу от нас (обозначено крестиком).

Рис. 5.22. При фиксированном направлении тока сила Лоренца,
действующая на носители зарядов в образце, помещенном в магнитное поле,
имеет одно и то же направление независимо от знака заряда носителя

У отрицательных зарядов вектор скорости v и ток I направлены в противоположные стороны, для положительных зарядов направления скорости и тока совпадают. Применяя правило винта, находим, что сила Лоренца в обоих случаях направлена к верхней грани пластины. Следовательно, носители зарядов, независимо от знака их заряда, накапливаются на верхней грани пластины. 

Эффект Холла наблюдается у металлов и полупроводников. У металлов и полупроводников n-типа, где носителями зарядов являются электроны, на верхней грани пластины скапливаются избыточные отрицательные заряды, а нижняя грань заряжается положительно (рис. 5.23). У полупроводников p-типа, где носителями являются так называемые дырки, имеющие положительный заряд, верхняя грань заряжается положительно, а нижняя — отрицательно.

 

Рис. 5.23. Эффект Холла заключается в возникновении разности потенциалов UХ ,
между гранями проводящей пластины с током, помещенной в магнитное поле
(знаки зарядов показаны для металлической пластины)

Так как

то сила Лоренца равна

              

(5.24)

Заряды, скопившиеся на верхней и нижней границах пластины, создают электрическое поле напряженностью EX , которое в свою очередь воздействует на электрические заряды с силой

              

(5.25)

Когда устанавливается стационарное распределение зарядов в поперечном сечении проводника, эти две силы уравновешивают друг друга

то есть

откуда

                

(5.26)

Заметим, что здесь автоматически выполняется соотношение между скоростью зарядов и полями EX и B, с которым мы только что познакомились, обсуждая опыты Томсона по измерению удельного заряда электрона. При выполнении соотношения (5.26) заряд движется прямолинейно и равномерно в скрещенных электрическом и магнитном полях. 

Из формулы для величины плотности тока j = qnv находим скорость упорядоченного движения зарядов

                  

(5.27)

Таким образом, для напряженности поперечного (холловского) электрического поля получаем

                               

(5.28)

Следовательно, при расстоянии между гранями пластины d разность потенциалов между ними равна

                                   

(5.29)

где RX = 1/qn — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Холла. Плотность носителей зарядов (электронов) в металле n = 1028 м–3, откуда RX = 10–9 м3/Кл. Для наиболее распространенных полупроводников
RX = 0,1 м3/Кл.  

Эффект Холла — один из эффективных методов изучения свойств носителей зарядов в металлах и полупроводниках. На рис. 5.24 представлен опыт, в котором демонстрируется возникновение поперечной ЭДС при внесении полупроводника с током в магнитное поле, перпендикулярное току. Плоский полупроводниковый образец, закрепленный на держателе, вносится в поле постоянного магнита, и вольтметр фиксирует наличие ЭДС Холла. При переворачивании образца относительно поля знак ЭДС меняется на противоположный.

Рис. 5.24. Эффект Холла в полупроводнике 

 

Дополнительная информация 

http://electrik.info/main/fakty/97-yeffekt-xolla-i-datchiki-na-ego-osnove.html — эффект Холла и датчики на его основе;

http://www.explainthatstuff.com/hall-effect-sensors.html — эффект Холла,  практические применения;

http://www.radioland.net.ua/contentid-170-page1.html — Полупроводники

p и n типа.

Эффект Холла

Физика > Эффект Холла

 

Изучите кратко и понятно определение эффекта Холла. Узнайте, в чем заключается эффект Холла, в чем состоит влияние на заряд в электрическом проводнике, формула.

В момент прохода тока сквозь провод, на который влияет магнитное поле, формируется потенциал, поперечный току.

Задача обучения

  • Рассмотреть эффект Холла для металла с одним типом носителя заряда.

Основные пункты

  • Эффект Холла раскрывает явление, где разность напряжений формируется сквозь электрический проводник. Магнитное поле выступает перпендикулярным току.
  • Транспортировка зарядов в проводе вызовет перемены в траектории, если есть магнитное поле. Поэтому заряды скапливаются на одной стороне материала, а на другой – избыток противоположного заряда. Мы видим электрический потенциал.
  • Формула для напряжения Холла: 

Термины

  • Элементарный заряд – электрический заряд на одном протоне.
  • Поперечный – создает угол между пересекающимися предметами.

Давайте кратко и понятно изучим определение эффекта Холла, раскрыв суть явления. В эффекте Холла отличие напряжений формируется в электрическом проводнике, если есть магнитное поле, перпендикулярное току. При подобной расположенности магнитной силы заряды внутри проводника испытывают силу Лоренца. Если же такое поле отсутствует, то они идут по прямому пути и иногда сталкиваются с примесями.

Перпендикулярная составляющая заставляет путь изгибаться, поэтому заряды скапливаются на одной стороне поверхности материала. На другой возникает тот же избыток, но уже с противоположным знаком. То есть, в потоке заряда создается электрический потенциал. Он вступает в противостояние с магнитной силой и ведет электроны по прямой дороге.

Сначала магнитная сила притягивает электроны и заставляет их продвигаться по изогнутому пути. В итоге, их становится слишком много на левой стороне, а на правой – не достает. Из-за этого формируется электрическое поле. Сила набирает мощность, чтобы компенсировать магнитную, поэтому будущие электроны двигаются прямолинейно

Если вы сталкиваетесь с металлом при едином типе носителя заряда, то значение эффекта рассчитывается, как

(I – коэффициент тока, B – магнитное поле, t – толщина проводящей пластины и n – плотность электронов-носителей).

Коэффициент Холла (RH) характеризует материал проводника и выясняет соотношение индуцированного электрического поля, плотности тока и магнитного поля:

В физике эффект Холла встречается часто и показывается не только в проводниках, но и среди полупроводников, ионизированных газов и квантовом вращении.


Квантовый эффект Холла — это… Что такое Квантовый эффект Холла?

Ква́нтовый эффе́кт Хо́лла — эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Квантовый эффект Холла (КЭХ) был открыт Клаусом фон Клитцингом (совместно с Г. Дордой и М. Пеппером) в 1980 году

[1], за что впоследствии, в 1985 году, он получил Нобелевскую премию[2].

Введение

Рис. 1. Зависимости холловского сопротивления и удельного сопротивления от магнитного поля при постоянной концентрации носителей. На зависимости холловского сопротивления наблюдаются «плато»[3].

Эффект состоит в том, что при достаточно низких температурах в сильных магнитных полях на зависимости поперечного сопротивления (отношения возникающего поперечного напряжения к протекающему продольному току) вырожденного двумерного электронного газа (ДЭГ) от величины нормальной составляющей к поверхности ДЭГ индукции магнитного поля (или от концентрации при фиксированном магнитном поле) наблюдаются участки с неизменным поперечным сопротивлением или «плато».

Фон Клитцинг обнаружил так называемый нормальный (или целочисленный) квантовый эффект Холла

(КЭХ), когда значения сопротивления на «плато» равно , где e — заряд электрона, h — постоянная Планка, ν — натуральное число, называемое фактором заполнения уровней Ландау (рис. 1).

В 1982 году Д. Цуи и Х. Штёрмер открыли дробный квантовый эффект Холла (фактор заполнения при этом становится меньше единицы)[4].

Уже первая работа[1] по КЭХ, названная «Новый метод определения постоянной тонкой структуры с высокой точностью по квантованию холловского сопротивления» показала, что возможно его применение в качестве стандарта сопротивления. В настоящее время известно, что значения квантованного сопротивления Холла не зависят от качества образца и его материала. Поэтому, начиная с 1990 года, калибровки сопротивлений основаны на КЭХ с фиксированным значением Rэ = 25812.807557(18) Ом.

Для наблюдения КЭХ существует ряд условий, которые должны выполняться, чтобы квантование было точным. Ниже приведены основные предпосылки возникновения плато.

Двумерный электронный газ

Если ограничить трёхмерный электронный газ в одном из направлений, таким образом, что в потенциальной яме (например, с ограничивающим потенциалом по оси Z) заполнен только один уровень размерного квантования, то говорят, что электронный газ стал двумерным. В этом случае движение в плоскости, перпендикулярной оси Z остаётся свободным и энергетический спектр ДЭГ выражается формулой:

где n = 0, 1, 2…,  — эффективная масса квазичастиц (электронов или дырок). Только если заполнен основной уровень размерного квантования (первая подзона размерного квантования) говорят о формировании ДЭГ[5].

Энергетический спектр носителей заряда в магнитном поле

На классические заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Эта сила заставляет частицу двигаться по окружности с угловой скоростью , называемой циклотронной частотой (система единиц СГС). Согласно квантовой теории частицы, совершающие периодическое движение, обладают только дискретными значениями энергии, поэтому у заряженных частиц в магнитном поле появляются уровни энергии, называемые уровнями Ландау. Энергия n-го уровня, если пренебречь составляющей импульса и наличием спина у частицы, определяется выражением[6]

Энергетический спектр двумерного электронного газа становится полностью дискретным и каждый энергетический уровень обладает следующим вырождением (число орбит, которые могут принадлежать уровню Ландау)

(1)

где Ф0 — квант магнитного потока. Это аналогично плотной упаковке циклотронных орбит в двумерном слое. Эту же величину можно получить, если представить, что из всех частиц ДЭГ, расположенных в интервале энергий, равных ħωс (то есть произведение двумерной плотности состояний на энергию ħωс), формируется отдельный уровень Ландау.

Концентрация электронов в ДЭГ в магнитном поле определяется по формуле , если уровень Ферми попадает в щель между уровнями Ландау. В общем случае частичное заполнение одного из уровней Ландау характеризуется так называемым фактором заполнения  — отношение концентрации ДЭГ к вырождению уровней Ландау. Он может принимать как целые, так и дробные значения[5].

Эффект Холла

Явление, открытое Холлом в 1879 году, состоит в том, что в проводнике с током, помещённом в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля. Возникающее в проводнике электрическое поле, называемое полем Холла, вызвано действием силы Лоренца FL = eBv, заставляющей электроны отклоняться в направлении, перпендикулярном скорости v. В результате это поле EH уравновешивает силу Лоренца, и между боковыми гранями образца возникнет разность потенциалов VH, которая поддается измерению.

Ток через образец равен I = nevS, где S — площадь поперечного сечения проводника, S = bd, b — ширина, d — толщина.

Условие равновесия силы Лоренца и силы, вызванной холловским полем, — eEH = evB = eVH/b. Отсюда следует, что VH = bvB = IvB/nevd = IB/end = IRH, где RH называется холловским сопротивлением. В двумерных системах RH = B/ens, где ns — поверхностная концентрация.

Важно отметить, что RH — это отношение возникающей поперечной разности потенциалов к продольному току, RH = Rxy = Vy/Ix. При этом продольное сопротивление RL = Rxx = Vx/Ix, слабо зависит от индукции магнитного поля, оставаясь по величине близким к своему значению при B = 0[7].

Целочисленный квантовый эффект Холла

Рис. 2. Зависимости холловского сопротивления от магнитного поля. На зависимости холловского сопротивления указаны факторы заполнения для некоторых «плато».

Как было замечено Клитцингом[1], при измерении эффекта Холла в инверсном слое кремниевого МОП транзистора при низких температурах (Т ~ 1 K) и в сильных магнитных полях (B > 1 Тл) линейная зависимость холловского сопротивления сменяется чередой ступеней (плато) как показано на Рис. 2. Величина сопротивления на этих ступеньках равна комбинации фундаментальных физических констант, делённой на целое число :

Когда на зависимости холловского сопротивления RH наблюдается плато, продольное электрическое сопротивление становится очень малой величиной (оно равно нулю с высокой экспериментальной точностью). При низких температурах ток в образце может течь без диссипации (рассеяния).

Прецизионные измерения также показали, что на точности квантования RH не сказываются такие существенные параметры эксперимента, как размеры образцов, влияние границ и важное в обычном эффекте Холла закорачивание холловского напряжения омическими контактами, а также степень совершенства структур, то есть наличие большого количества примесей и дефектов, тип материала, в котором находится 2D-электронный газ, температура и сила измерительного тока. Экспериментальная точность квантования так высока, что встал вопрос о метрологических применениях КЭХ: проверке формул квантовой электродинамики с помощью прецизионного определения постоянной тонкой структуры или создания нового эталона сопротивления.

Экспериментальная установка

Геометрия измерения квантового эффекта Холла. RH=V35/I12 RL=V34/I12

Для наблюдения эффекта гетероструктуру со сформированным двумерным электронным газом помещают в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости электронного газа. При пропускании тока через образец измеряют ток, а также возникающее напряжение вдоль и поперёк образца.

Качественная интерпретация целочисленного квантового эффекта Холла

Электроны дрейфуют вдоль линий постоянной энергии, формируя локализованные и краевые токовые состояния

Целочисленный квантовый эффект Холла может быть просто интерпретирован на основе модели краевых состояний. Как правило, экспериментальный образец с двумерным электронным газом имеет границу, задаваемую литографическим краем или краем области под затвором. Возле края формируется обедняющее электрическое поле, направленное к краю (речь идёт об отрицательно заряженных электронах). Оно приводит к зависимости нуля отсчёта уровней Ландау от координаты, поэтому уровни Ландау «изгибаются» вверх вблизи края. Как известно в скрещенных магнитном и электрическом полях заряженная частица дрейфует вдоль линии постоянной энергии — эквипотенциали. Электроны заполняют состояния согласно статистике Ферми — Дирака до некоторого уровня Ферми, и при факторе заполнения , близком к целочисленному значению вдали от краёв формируются локализованные состояния, не участвующие в проводимости, а вблизи краёв — краевые токовые состояния. Причем ток на противоположных берегах двумерного электронного газа имеет противоположное направление, а направление обхода однозначно задаётся знаком квантующего магнитного поля. Ток переносимый каждым краевым состоянием квантован и равен , где  — значение электрохимического потенциала. А число краевых каналов целое и определяется фактором заполнения . В этом случае, когда локализованные и подвижные состояния на уровне Ферми пространственно разделены и обратное рассеяние подавлено, реализуется режим квантового эффекта Холла.

Локализация состояний спектра и осцилляции компонент проводимости 2D электронного газа в сильном магнитном поле. Локализованные состояния закрашены зелёным[8].

Влияние неоднородностей

Дефекты, примеси и другие неоднородности в кристалле, которые локализуют, «изолируют» отдельные электроны в «ловушках», являются причиной возникновения широких плато на графиках холловского сопротивления и широких минимумов омического сопротивления. На поверхности кристалла остаются дефекты и примеси, которые порождают энергетические «долины» и «холмы». Когда уровень Ландау оказывается заполненным, некоторые из них попадают в ловушку и изолируются. Они больше не принимают участие в процессах электропроводности через кристалл. Локализованные электроны первыми заполняют и освобождают уровни Ландау при изменении магнитного поля, поддерживая точное заполнение уровней Ландау в энергетически гладкой области кристалла для протяженных интервалов величины магнитного поля. При этом холловское сопротивление образца и магнитосопротивление остаются постоянными. Локализованные благодаря дефектам кристалла электроны представляют собой хранилище необходимых для точного заполнения уровней Ландау носителей в энергетически гладкой области кристалла для конечного интервала напряженностей магнитных полей. Cамо существование целочисленного квантового эффекта Холла зависит от наличия дефектов в кристалле. Без неоднородностей в кристалле, «идеально чистая» система приводила бы к линейному эффекту Холла, без квантованности[9].

О сопротивлении, проводимости и потенциале в условиях квантования холловского сопротивления

Эквипотенциали в образце с двумя контактами в условиях квантового эффекта Холла.

Дробный квантовый эффект Холла

В 1982 году Даниэль Цуи (Daniel Tsui) и Хорст Штёрмер (Horst Störmer) заметили, что «плато» в холловском сопротивлении наблюдаются не только при целых значениях n, но и в существенно более сильных магнитных полях[4] при n=1/3. В дальнейшем были обнаружены плато электрического сопротивления и при других дробных значениях n, например при n=2/5, 3/7…

Природа дробного квантового эффекта Холла была объяснена Р. Лаффлином в 1983 году[10]. В 1998 году Цуи, Штёрмер и Лаффлин получили Нобелевскую премию по физике за открытие и объяснение этого явления[11]

Качественное объяснение дробного квантового эффекта Холла

Суть явления заключается в том, что группа электронов «объединяются» в новую «частицу», заряд которой меньше заряда электрона. Дробный квантовый эффект Холла нельзя объяснить на основе поведения одиночных электронов в магнитном поле. Причина заключается во взаимодействии между электронами. Магнитное поле создает «вихри», по одному на каждый квант магнитного потока. Принцип Паули требует, чтобы каждый электрон был окружен одним «вихрем». Когда магнитные поля превышают величину, соответствующую ЦКЭХ с i=1, вихрей становится больше, чем электронов. Принцип Паули выполняется при размещении нескольких вихрей на электроне, которые уменьшают межэлектронное кулоновское отталкивание. Электрон «захватывает» квант магнитного потока и становится «составной частицей». С точки зрения теории, такие «составные частицы» описывать гораздо легче, чем «свободные» электроны. Захваченный квант потока меняет природу частиц, «превращая» фермионы в бозоны. Электрон, захвативший четное число квантов потока, становится фермионом, а нечетное число квантов потока — бозоном. При заполнении на 1/3 нижнего уровня Ландау каждый электрон принимает три кванта магнитного потока. Таким образом получается композитный бозон. Он находится в условиях нулевого магнитного поля (оно уже включено в новую частицу) и в состоянии бозе-конденсации в новом энергетическом состоянии. Можно определить энергетическую щель, необходимую для возникновения квантования холловского сопротивления и для обращения в ноль обычного сопротивления, экспериментальными методами. Когда часть вихрей магнитного поля не захвачена, возникает дробный дефицит заряда в каждом из этих вихрей. По сравенению с электронами, это положительные дробные заряды. Квазичастицы могут свободно двигаться и проводить электрический ток. Образование плато на графиках происходит как и в целочисленном квантовом эффекте Холла, из-за флуктуаций потенциала на дефектах кристалла. Отличие в том, что носители электрического тока — не электроны, а частицы с дробным зарядом. Дробный квантовый эффект Холла объясняется захватом нечетного числа вихрей магнитного потока каждым электроном [12].

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 K. v. Klitzing, G. Dorda, M. Pepper New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980) DOI:10.1103/PhysRevLett.45.494
  2. Нобелевский лауреат по физике за 1985 год
  3. К. фон Клитцинг «Квантовый эффект Холла: Нобелевские лекции по физике — 1985 г.» УФН 150, 107 (1985).
  4. 1 2 D. C. Tsui, H. L. Störmer, A. C. Gossard Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit Phys. Rev. Lett. 48, 1559 (1982). DOI:10.1103/PhysRevLett.48.1559
  5. 1 2 Ando T., Fowler A. B. and Stern F. Electronic properties of two-dimensional systems Rev. Mod. Phys. 54, 437 (1982).
  6. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц «Теоретическая физика», в 10 т, т. 3 «Квантовая механика (нерелятивистская теория)», М., Физматлит, 2002, 808 с., ISBN 5-9221-0057-2 (т. 3), гл. 15 «Движение в магнитном поле», п. 112 «Движение в однородном магнитном поле», c. 554—559;
  7. Askerov B. M. Electron Transport Phenomena in Semiconductors, 5-е изд.. — Singapore: World Scientific, 1994. — P. 416. — ISBN ISBN 981-02-1283-6
  8. Е. Н. Бормонтов Квантовый эффект Холла СОЖ 9, 81 (1999). [1]
  9. В. К. Воронов, А. В. Подоплелов «Современная физика», учебное пособие, М., КомКнига, 2005, 512 с., ISBN 5-484-00058-0, гл. 4 «Полупрводники», п 4.7 «Квантовый эффект Холла», пп 4.7.4 «Целочисленный квантовый эффект Холла», с. 249—253;
  10. R. B. Laughlin, Anomalous Quantum Hall Effect: An Incompressible Quantum Fluid with Fractionally Charged Excitations Phys. Rev. Lett. 50, 1395 (1983) DOI:10.1103/PhysRevLett.50.1395
  11. Нобелевские лауреаты по физике за 1998 год
  12. В. К. Воронов, А. В. Подоплелов «Современная физика», учебное пособие, М., КомКнига, 2005, 512 с., ISBN 5-484-00058-0, гл. 4 «Полупрводники», п 4.7 «Квантовый эффект Холла», пп 4.7.5 «Дробный квантовый эффект Холла», с. 253—259;

Литература

Ссылки

Эффект — холл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Эффект — холл

Cтраница 2

Эффект Холла, Если проводник с током помещен в перпендикулярное к нему магнит — Ное поле, то между точками, расположенными на противоположных сторонах бруска, возникает разность потенциалов.  [16]

Эффект Холла заключается в возникновении электрического поля в твердом теле, через которое пропускают ток, при этом перпендикулярно к направлению тока прилагают магнитное поле. Отклонение электронов в магнитном поле создает объемный заряд, что приводит к возникновению электрического поля. Напряженность этого поля направлена перпендикулярно к току и напряженности магнитного поля. Теория определения знака носителя по эффекту Холла требует привлечения квантовой механики.  [17]

Эффект Холла показал также, что наряду с отрицательно заряженными носителями зарядов в полупроводниках заряд переносится положительными зарядами, имеющими массу электрона. В некоторых проводниках перенос осуществляется одними отрицательными зарядами, в других — одними положительными, а в третьих — и теми, и другими одновременно. Подвижность электронов обычно несколько больше подвижности дырок.  [18]

Эффект Холла проявляется в возникновении электрического поля с напряженностью Е R J х В, перпендикулярной векторам магнитной индукции В и плотности тока J. Коэффициент ( или постоянная) Холла R может иметь положительное и отрицательное значения и изменять знак с изменением температуры. Эффект Холла является следствием того, что на носитель заряда ( электрон и дырку), перемещающийся в магнитном поле, действует сила, пропорциональная векторному произведению скорости носителя заряда на магнитную индукцию. Под влиянием этой силы движущиеся в направлении электрического поля, созданного в образце внешними источниками напряжения, носители заряда отклоняются в поперечном направлении.  [20]

Эффект Холла определяет различные схемы МГД-генератора: МГД-генератор со сплошными электродами; фарадеевский МГД-генератор с секционированными электродами; МГД-генератор с диагональными соединениями электродов; хол-ловский МГД-генератор.  [22]

Эффект Холла очень просто объясняется электронной теорией. Эквипотенциальные поверхности этого поля образуют систему перпендикулярных к вектору Е0 плоскостей. Две из них изображены на рисунке сплошными прямыми линиями. Потенциал во всех точках каждой поверхности, а следовательно, и в точках 1 и 2 одинаков.  [23]

Эффект Холла для материалов с высоким сопротивлением измеряется в переменных полях.  [25]

Эффект Холла был открыт в 1897 г. Он наблюдается в том случае, когда поперечное магнитное поле налагается на полупроводник, по которому протекает ток. Эффект заключается в появлении поперечного электрического поля, которое направлено под прямым углом как к первичному току, так и к магнитному полю. Если пренебречь беспорядочным движением носителей тока и предположить, что любое столкновение переводит их в состояние покоя, то результирующее движение должно представлять собой движение носителей тока под совместным действием полей.  [26]

Эффект Холла состоит в том, что на боковых гранях образца, через который пропускают постоянный ток, при наличии внешнего-магнитного поля возникает поперечная разность потенциалов.  [27]

Эффект Холла в ферромагнитных металлах и сплавах носит название эффекта Холла — Кикоина. Этот эффект изучали также сравнительно давно, и в настоящее время есть большое количество работ, посвященных исследованию этого явления.  [28]

Эффект Холла оказывает существенное влияние на конструкцию МГДГ. Очевидна, в частности, непригодность электродов, показанных на рис. 8.1. Результатом замыкания непрерывными электродами поля Холла была бы продольная циркуляция тока вдоль канала через электроды. Чтобы не допустить этого, электроды делят на большое число изолированных друг от друга сегментов и затем замыкают каждую противолежащую пару сегментов на свою внешнюю нагрузку. В этом случае токи Холла циркулировать не могут, ибо проводник, существовавший ранее в виде непрерывного электрода, оказывается разорванным. Чем значительнее поле Холла, тем больше сегментов должно быть сделано.  [29]

Эффект Холла является одним из гальваномагнитных явлений. Под этим термином объединяются явления, возникающие в проводнике с током, находящимся в магнитном поле. Физическая сущность всех этих явлений состоит в том, что электропроводимость проводника во внешнем магнитном поле является не скаляром, а тензором. Напряженность поперечного электрического поля, называемого холловским, складывается с напряженностью электрического поля, которое обусловливает существование тока при отсутствии магнитного поля. В результате этого напряженность электрического поля образует с плотностью тока некоторый угол — угол Холла. Значит, направления плотности тока и напряженности электрического поля не совпадают.  [30]

Страницы:      1    2    3    4    5

В графене удалось зарегистрировать дробный эффект Холла: Наука и техника: Lenta.ru

Физикам впервые удалось обнаружить в графене дробный эффект Холла. По словам исследователей, новый результат делает двумерные листы графита материалом для электротехники будущего. Статья физиков появилась в журнале Nature, а ее краткое изложение приводит ScienceNOW.

Классический эффект заключается в следующем. Если взять кусок проводника и приложить к его концам разность потенциалов, то через него потечет ток. Поместив проводник в сильное магнитное поле, перпендикулярное ему, можно заметить, что поперек проводника также возникает разность потенциалов. При этом величина разности зависит от силы магнитного поля.

Если вместо проводника взять тонкий (в этом случае можно говорить, что электроны движутся в двух измерениях) полупроводник, то поперечное напряжение будет меняться скачками, величина которых определяется зарядом электрона. Если всю систему охладить почти до абсолютного нуля, то скачки становятся меньше и возникает дробный эффект Холла. Уменьшение «ступенек» вызвано тем, что вместо электронов в полупроводнике возникают квазичастицы с дробными электронными зарядами (например, 1/3). За открытие квантового эффекта Холла в 1985 году была присуждена Нобелевская премия.

Многие исследователи ожидали, что в графене должен проявляться квантовый эффект Холла, однако до недавнего времени его не удавалось обнаружить. В рамках новой работы исследователи зарегистрировали данный эффект.

По их словам, неудачи предыдущих опытов объяснялись наличием примесей в графене. Обычно этот материал получают в виде одноатомного слоя графита на подложке. Атомы подложки могут «вмешиваться» в гексогональную структуру материала. Чтобы избежать этого, ученые использовали совсем небольшие (размером около микрометра) куски графена, чтобы избежать засорения атомами с подложки.

По словам ученых, если удастся получить частицы с зарядом 5/2, они смогут создавать квантовые компьютеры на основе графена. Подобные компьютеры, теоретически, должны быть гораздо быстрее классических. В частности, совсем недавно ученым удалось создать алгоритм решения системы линейных уравнений для квантового компьютера.

Лабораторная работа Исследование свойств полупроводников методом эффекта Холла

Министерство образования и науки Российской Федерации

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра микроэлектроники

Лабораторная работа

Исследование свойств полупроводников методом эффекта Холла

Методические указания

Пенза 2004

УДК 621. 315.416

Абрамов В.Б., Аверин И.А., Карпанин О.В., Медведев С.П., Метальников А.М, Печерская Р.М. Исследование свойств полупроводников методом эффекта Холла.

Указания подготовлены на кафедре микроэлектроники и предназначены для студентов специальностей 200100, 220500, 230300, 190700 при изучении дисциплин “Материалы электронной техники и основы микроэлектроники”, “Материалы в приборостроении”, “Радиоматериалы и радиодетали”, при выполнении УИРС, курсового и дипломного проектирования.

Ó Кафедра микроэлектроники Пензенского государственного университета

Цель работы: исследование электрофизических характеристик полупроводников методом эффекта Холла.

Теоретическое введение

Если поместить полупроводник, через который протекает электрический или тепловой поток в магнитное поле, то в нём возникают гальваномагнитные и термомагнитные явления.

Гальваномагнитные явления возникают в полупроводниках при одновременном воздействии электрического и магнитного полей, а термомагнитные явления – при одновременном воздействии магнитного и теплового полей. К гальваномагнитным явлениям относятся эффекты Холла, Эттингсгаузена, а к термомагнитным – эффекты Риги-Ледюка, Нернста-Эттингсгаузена.

В настоящей работе рассматривается эффект Холла, который используется для исследования электрофизических свойств полупроводников. Данный эффект носит имя американского физика Эдвина Холла, который впервые наблюдал его в 1879 году в тонких пластинах золота.

Суть эффекта Холла заключается в следующем. При пропускании электрического тока вдоль полупроводника, помещённого в магнитное поле, силовые линии которого направлены перпендикулярно направлению электрического тока, возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла.

Рассмотрим полупроводник, например, n–типа электропроводности, имеющий форму параллелепипеда. Пусть электрический ток движется вдоль оси OX. Перпендикулярно направлению электрического тока вдоль оси OZ направлено магнитное поле. Под действием силы, действующей со стороны магнитного поля, электроны будут отклоняться на боковую грань полупроводника. Таким образом, на одной из граней полупроводника будут накапливаться электроны, в результате чего она зарядится отрицательно, а на противоположной грани возникает нескомпенсированный положительный заряд. Это приведёт к образованию поперечного электрического поля напряжённостью , направленного вдоль оси OY (рис. 1). Если электрический ток переносится дырками, то поперечное электрическое поле будет противоположно направлению полю Холла для полупроводника n-типа электропроводности.

На заряд q, который движется в магнитном поле с индукцией , действует сила Лоренца , равная , где – скорость движения носителей заряда, направленных вдоль оси OX. Так как угол между векторами  и  равен 90°, то согласно правилу векторного произведения, уравнение для силы Лоренца преобразуется к виду .

Рис. 1. Возникновение эффекта Холла

Под действием силы Лоренца движущиеся электроны отклоняются на одну из боковых граней полупроводника. Процесс накопления носителей заряда продолжается до тех пор, пока сила Лоренца не уравновесится силой, действующей со стороны поперечного электрического поля. Сила , действующая со стороны электрического поля на заряд q, равна . Она направлена в сторону, противоположную направлению силы Лоренца. В состоянии стационарного равновесия сила Лоренца равна силе, действующей со стороны поперечного электрического поля, , т.е. . Поделив правую и левую части этого уравнения на величину заряда электрона (q), получим:

(1)

При исследовании электрофизических свойств полупроводников методом эффекта Холла измеряют не величину напряжённости поперечного электрического поля , а разность потенциалов, т.е. ЭДС Холла, (VХОЛ). Связь между этими величинами записывается  в виде:

. (2)

Скорость электронов выразим через величину силы тока I:

,

Отсюда получим

, (3)

где n – концентрация свободных электронов; с и d – поперечные размеры полупроводника. Подставим уравнения (2) и (3) в формулу (1), получим

.

Умножим правую и левую части этого уравнения на величину с:

. (4)

Введём обозначения . С учётом такого обозначения формула (4) запишется в виде . Отсюда для Rx имеем

. (5)

Здесь Rx – постоянная Холла. Она связывает ЭДС Холла, силу тока и индукцию магнитного поля B. Зная величину постоянной Холла Rx, можно определить концентрацию свободных носителей заряда:

, (6)

где p – концентрация дырок. Знак постоянной Холла совпадает со знаком носителей заряда. Следовательно, по величине Rx можно судить о типе электропроводности. Например, для электронного типа проводимость Rx<0, для дырочного типа электропроводности Rx>0.

При выводе уравнения для ЭДС Холла сделан ряд допущений, связанных с тем, что полная скорость электронов принимается раной дрейфовой скорости, т.е. не учитывается скорость хаотического теплового движение электронов и их распределение по скоростям. Поэтому более строгое выражение для постоянной Холла, имеет вид: , где A – постоянная, зависящая от механизма рассеяния носителей заряда. При рассеянии электронов на акустических, оптических колебаниях решётки, на ионах примеси величина A соответственно принимает значения: 1,17; 1,11; 1,93.

Исследования эффекта Холла позволяют определить основные электрофизические свойства полупроводников.

Определив величину Rx, для различных температур, можно построить зависимость концентрации носителей заряда в функции от температуры. Учитывая, что температурная зависимость концентрации носит экспоненциальный характер, её строят в координатах . Это позволяет представить зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры в виде совокупности прямых линий. Как видно из рис. 2, график разбит на три области.

Рис. 2. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры

Область I называется областью низких температур. Образование свободных носителей заряда происходит за счёт перехода электронов с донорного уровня в зону проводимости для полупроводника n–типа электропроводности, а для полупроводника p–типа электроны переходят из валентной зоны на акцепторный уровень. Энергия активации примесного уровня определяется из уравнения

, (7)

где k – постоянная Больцмана,

. (8)

Область II – область истощения примеси. Как видно из рисунка, концентрация свободных носителей заряда не зависит от температуры. Это соответствует тому, что все электроны с донорного уровня перешли в зону проводимости в полупроводнике n-типа электропроводности, а для полупроводников p-типа электропроводности заполнены все энергетические состояния на акцепторном уровне электронами, перешедшими из валентной зоны. В этой области концентрация свободных носителей заряда равна концентрации примесных атомов.

Область III является областью высоких температур. Здесь энергия теплового хаотического движения электронов kT соизмерима с величиной запрещённой зоны . Поэтому электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, при этом образуются парные носители заряда: электрон и дырка. Ширина запрещённой зоны может быть определена из графика (см. рис. 2) посредством следующего выражения:

. (9)

Величина определяется из уравнения (8) применительно к области III.

Исследования эффекта Холла позволяют измерить не только концентрацию свободных носителей заряда, но и их подвижность. Подвижность носителей заряда  это скорость дрейфа носителей заряда в электрическом поле единичной напряженности. Она  определяется по формуле:

, (10)

где  — электропроводность полупроводника. Зная величины Rx и  для нескольких температур, можно построить температурную зависимость подвижности  носителей  заряда,  график  которой  строится в координатах .

Рис. 3. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры

На рис.3 приведен пример температурной зависимости подвижности носителей заряда в полупроводнике. Величина подвижности зависит от механизмов рассеяния носителей заряда. В области высоких температур, когда амплитуда колебаний узлов кристаллической решетки велика, происходит рассеяние носителей заряда на фононах. Подвижность носителей заряда пропорциональна и соответственно для полупроводников, содержащих невырожденный и вырожденный электронный газ. При низких температурах рассеяние носителей заряда происходит на ионизированных примесях. Этот механизм рассеяния носителей заряда заключается в следующем: движущиеся электроны либо притягиваются к атому примеси, либо отталкиваются от него благодаря кулоновским силам, действующим между заряженными частицами, в зависимости от знака заряда примеси. В результате, при рассеянии на ионизированных примесях изменяется по направлению скорость движения электронов. Для полупроводников, содержащих невырожденный электронный газ, подвижность носителей заряда пропорциональна . Подвижность носителей заряда для случая вырожденного электронного газа не зависит от температуры.

Если величина подвижности носителей заряда определяется несколькими механизмами рассеяния, то доминирующий механизм определяется из соотношения

 

,

где , , – соответственно подвижность носителей заряда, обусловленная рассеянием на фононах, ионизированных и нейтральных примесях. Как следует из этого уравнения, преобладающим является тот механизм, который обуславливает минимальное значение величины подвижности носителей заряда.

Описание лабораторной установки

Работа реализована на стенде, который состоит из компьютера и измерительного блока. Измерительный блок (рис.4) состоит из магнитной системы с образцом и электронной части. Блок реализует классическую схему измерений для исследования эффекта Холла. Компьютер (совместно с программным обеспечением) является управляющим и индицирующим элементом стенда. Во время измерений стенд работает как в режиме цифрового осциллографа, так и в режиме измерений отдельных величин по приборам измерительной схемы.

Программное обеспечение управляет процессом измерений и позволяет рассчитывать параметры и характеристики исследуемого материала. Оно представлено двумя приложениями – Hall.exe и Server.exe.

Server.exe – это программа общения с измерительным блоком. Она работает самостоятельно и не зависит от приложения Hall.exe.

Рис. 4. Измерительный блок

Hall.exe – программа общения с пользователем. Она может работать как совместно с Server.exe, так и без нее. В первом случае возможно проводить как измерения, так и их обработку, во втором – только обработку ранее сделанных измерений.

Интерфейс пользователя

Рабочее место

Внешний вид программы общения с пользователем организован как работа за классическим измерительным стендом, оснащенным различными источниками воздействия и регистрирующими измерительными приборами. Можно сказать, что эти устройства реально реализованы в измерительном блоке, но не имеют отдельных корпусов и индицирующих устройств. Последние представлены только на экране компьютера.

Основное окно программы общения с пользователем показано на рис. 5.

Рис. 5. Основное окно приложения

Центральное место занимает упрощенная схема измерений, которая реализована в реальном измерительном блоке. Таких схем можно выбрать три – либо при помощи команд меню, либо при помощи панели инструментов окна.

На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов. Внешний вид приборных панелей, естественно, отличается от реально существующих приборов (рис. 6 и 7). Более того, на них есть специальные кнопки, которых в принципе не бывает на реальных устройствах: кнопка «Справка», позволяющая получить справочную информацию о данном приборе, и кнопки «Добавить в таблицу» и «Удалить из таблицы», которые присутствуют на панелях регистрирующих инструментов и позволяют добавлять (удалять) показания приборов в таблицу результатов.

 

Рис. 6. Регистрирующий инструмент

 

 

Рис. 7. Управляющий инструмент

 

Непременным атрибутом при работе за классическим измерительным стендом является Рабочая тетрадь, в которую экспериментатор заносит показания приборов. В программе эта возможность также реализована. Переключиться между схемой измерений и рабочей тетрадью можно с помощью ярлычков, расположенных внизу основного окна приложения (рис. 8).

 

 

Рис. 8. Переключение между рабочей тетрадью и схемой измерений

 

Рабочая тетрадь

Этот элемент управления предназначен для ведения текущих записей результатов измерений, расчетов, построенных на полученных результатах, и построения графиков. Все данные рабочей тетради хранятся в базе данных.

В рабочей тетради имеются три области: область управления, заголовок и таблица (рис. 9).

Область управления предназначена для перемещения по результатам измерений и работы с ними. Под измерением понимается один эксперимент, в котором получены несколько строк с данными, позволяющими построить нужные Вам зависимости или семейство зависимостей.

 

Рис. 9. Рабочая тетрадь

В левой части области имеется таблица с названием измерения и датой его проведения. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся результатам. При этом в Таблице рабочей тетради показываются измеренные и рассчитанные данные выбранного измерения.

Обратите внимание, кнопка «Записать» в этом режиме работы недоступна, т.е. Вы не можете добавить новые строки данных. Чтобы иметь возможность добавлять строки данных, Вы должны открыть новое измерение. Поэтому, прежде чем начинать записывать, следует хорошо продумать, что нужно записать в таблицу тетради.

Кнопка  позволяет редактировать название измерения. При нажатии на нее в области управления появляется строка ввода с названием и с кнопкой . После исправления названия необходимо нажать эту кнопку и результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадет.

Рис. 10. Область управления

Рис. 11. Редактирование названия измерения

В правой части области управления находится панель с кнопками (см. рис. 10). Эти кнопки реализуют следующие команды:

Новое – открывает новое измерение. В таблице появляется новая запись с названием по-умолчанию и датой проведения измерения и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопка  переходит в нажатое состояние. Активизируются кнопки  на регистрирующих инструментах, запрещаются кнопки Вычислить и График. Кнопка Записать станет доступной, если хотя бы на одном регистрирующем инструменте нажать кнопку . Обратите внимание, кнопка Новое доступна только при открытой рабочей тетради.

Записать – записывает одну (или несколько, если включен Осциллограф) строк данных в таблицу рабочей тетради. Как только произведена хотя бы одна запись данных в таблицу, кнопки  на регистрирующих инструментах переходят в запрещенное состояние . Можно ограничиться записью одной строки и воспользоваться построителем выражений для расчетов. При нажатии любой из кнопок «Вычислить» или «График», заканчивается запись данных в таблицу и запрещается кнопка «Записать». Аналогичный эффект наблюдается при перемещении на другое измерение.

Удалить – удаляет все измерение вместе со связанными с ним расчетами и графиками.

Вычислить – запускает построитель выражений, который позволяет вычислить новые данные на основе измеренных величин, параметров образца и констант.

График – запускает построитель графиков, который позволяет представить измеренные и вычисленные данные, имеющиеся в таблице рабочей тетради, в графическом виде.

Заголовок – это часть рабочей тетради, которая состоит из двух областей: в одной содержится информация об образце, в другой – об измеряемых величинах.

Рис. 12. Информация об образце и измеряемых величинах

Информация об измеряемых величинах представлена в виде двух типов записей:

  1. Temp = 20 ºС – означает, что величина Temp определяется один раз на протяжении данного измерения и ее значение равно 20 ºС.

  2. B [мТл] – означает, что величина B определяется многократно на протяжении данного измерения и ее значения содержатся в таблице рабочей тетради, размерность при этом – мТл.

В таком виде заголовок представлен в процессе просмотра измерений и в процессе записи, когда уже появилась хотя бы одна строка в таблице. Перед началом каждого измерения заголовок содержит информацию только об образце.

Рис. 13. Таблица Рабочей тетради

В таблице рабочей тетради содержатся значения измеряемых величин и расчетных величин (Expr_1 на рисунке), полученных на основе измеряемых. Значения представлены в той размерности, которая указана в заголовке рабочей тетради.

В процессе просмотра измерений (когда активна кнопка «Вычислить» на панели управления области управления) можно добавить или удалить рассчитываемые величины при помощи построителя выражений. Также любые величины из таблицы (в том числе и рассчитанные) можно представить в графическом виде.

В процессе формирования колонок в таблице (при начале нового измерения) рабочая тетрадь имеет следующий вид:

Рис. 14. Рабочая тетрадь в начале нового измерения

На рисунке видно соответствие названий колонок в таблице и регистрирующих инструментов с нажатыми кнопками  на них.

Схемы измерений

Схем измерений, которые реализованы в реальном измерительном блоке, можно выбрать три – либо при помощи команд меню, либо при помощи панели инструментов окна (рис. 15). На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов.

Схема измерений № 1 (рис. 16) предназначена для проведения однократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия или однократных измерений при изменении температуры в результате нагрева или охлаждения. То есть, схема реализует измерение характеристик «по точкам», например, зависимость э.д.с. Холла от индукции магнитного поля.

         

Рис. 15. Переключение между схемами измерений

Рис. 16. Схема измерений № 1

На схеме присутствуют следующие элементы:

Измеритель температуры.

Нагреватель. Предназначен для включения (выключения) нагрева.

Образец. Можно просмотреть данные об образце.

Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения вдоль линии тока.

Управляемый источник тока 1. Предназначен для изменения тока через образец.

Амперметр (А). Предназначен для измерения силы тока .

Вольтметр V2. Предназначен для измерения э.д.с. Холла.

Измеритель индукции (B). Предназначен для измерения величины индукции магнитного поля.

Управляемый источник тока 2. Предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце.

При наведении курсора на элемент схемы, он меняет свое очертание со стандартной «стрелки» на «указывающую руку». Если теперь нажать на левую кнопку «мыши», соответствующий инструмент становится видимым.

Примечание. Даже если регистрирующий инструмент невидим, измерения все равно производятся и могут быть записаны в рабочую тетрадь при нажатии соответствующей кнопки в области управления рабочей тетрадью.

Схема измерений № 2 (рис. 17) предназначена для проведения многократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия. То есть, схема реализует измерение характеристик «целиком» (например, зависимость э.д.с. Холла от индукции магнитного поля).

Рис. 17. Схема измерений № 2

Следует отметить, что измерение полностью характеристики с большим количеством точек – достаточно длительный процесс, за время которого температура может сильно измениться. Поэтому не рекомендуется проводить температурные измерения, используя эту схему.

На схеме присутствуют следующие элементы:

Измеритель температуры.

Нагреватель. Предназначен для включения (выключения) нагрева.

Образец. Можно просмотреть данные об образце.

Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения вдоль линии тока.

Управляемый источник тока. Предназначен для изменения тока через образец.

Амперметр (А). Предназначен для измерения силы тока .

Электронный осциллограф. Предназначен для измерения зависимости э.д.с. Холла от индукции магнитного поля.

Резистор. Предназначен для преобразования тока через катушку в напряжение, которое будет пропорционально индукции.

Функциональный генератор. Предназначен для пилообразного изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце.

Схема измерений № 3 (рис. 18) предназначена для проведения однократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия или однократных измерений при изменении температуры в результате нагрева или охлаждения. То есть, схема реализует измерение характеристик «по точкам» (например, зависимость э.д.с. Холла от индукции магнитного поля). Эта схема аналогична схеме № 1. Отличие состоит в том, что специальный вольтметр Vs2 и измеритель индукции B, измеряют положительные и отрицательные значения и определяют среднее. Такая возможность позволяет исключить из результатов измерений остаточную э.д.с. Холла, которая присутствует при нулевой индукции магнитного поля.

Измеритель температуры.

Нагреватель. Предназначен для включения (выключения) нагрева.

Образец. Можно просмотреть данные об образце.

Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения вдоль линии тока.

Управляемый источник тока. Предназначен для изменения тока через образец.

Амперметр (А). Предназначен для измерения силы тока .

Вольтметр специальный Vs2. Предназначен для измерения средней э.д.с. Холла.

Рис. 18. Схема измерений № 3

Измеритель индукции (B). Предназначен для измерения средней величины индукции магнитного поля.

Функциональный генератор. Предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды.

На схеме присутствуют следующие элементы:

Управляющие инструменты

На каждой измерительной схеме присутствует свой набор инструментов. Их можно разделить на управляющие и регистрирующие. Управляющие инструменты – это инструменты, связанные с источниками воздействия; регистрирующие инструменты – это измерительные приборы, которые представляют измеренные данные.

Нагреватель предназначен для включения (выключения) нагрева.

Чтобы включить (или выключить) нагреватель, следует щелкнуть на выключателе левой кнопкой «мыши». Светодиод индицирует состояние включения (выключения) нагрева.

Рис. 19. Управление нагревателем

Если температура достигает предельной для измерительного блока, нагрев автоматически выключается независимо от положения выключателя.

Управляемый источник тока 1 предназначен для изменения тока через образец. Позволяет при помощи ползунка изменять значение силы тока через образец от нуля до максимального значения. Максимальное значение силы тока определяется образцом, включенным в измерительном блоке лабораторного стенда. Конкретное значение можно узнать, щелкнув на схеме измерений «Образец». Обычно это значение около 3 мА.

Рис. 20. Управление током через образец

Передвигать ползунок можно либо с помощью «мыши» (нажав на левую кнопку и, не отпуская кнопку, перемещая «мышь»), либо с помощью стрелок на клавиатуре.

Управляемый источник тока 2 предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Позволяет при помощи ползунка изменять значение силы тока через катушку, создающую магнитное поле в образце, изменяя таким образом магнитную индукцию. Магнитная индукция может изменяться от отрицательного до положительного максимального значения. Максимальное значение определяется конкретной реализацией измерительного блока лабораторного стенда. Обычно это значение около 0,5 Тл.

Рис. 21.  Управление величиной индукции в образце

Функциональный генератор схемы № 2 предназначен для пилообразного изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор работает в измерительной схеме, в которой в качестве регистрирующего прибора применяется электронный осциллограф. Поэтому появляется необходимость в периодическом линейном (пилообразном) изменении тока через катушку. По такому же закону будет изменяться и магнитная индукция. График одного периода работы генератора изображается на диаграмме рабочего окна.

Рис. 22. Функциональный генератор схемы № 2

С помощью ползунка можно изменять амплитудное значение силы тока (а, значит, и магнитной индукции) от нулевого до максимального значения. Максимальное значение магнитной индукции определяется конкретной реализацией измерительного блока лабораторного стенда. Обычно это значение около 0,5 Тл.

Окошечко с цифрой показывает количество точек в одном периоде работы генератора. Изменить это значение можно, нажимая на кнопки справа от цифры.

Функциональный генератор схемы № 3 предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды. По такому же закону будет изменяться и магнитная индукция. График двух периодов работы генератора изображается на диаграмме рабочего окна.

Рис. 23. Функциональный генератор схемы № 3

Необходимость такого сигнала связана с тем, что в реальных датчиках Холла существует начальная э.д.с. Холла, т.е. э.д.с. при нулевом значении магнитной индукции (но не нулевом значении тока через образец). Если измерить э.д.с., соответствующее положительному и отрицательному значению, а затем найти среднее значение, то начальная э.д.с. Холла при такой операции вычитается. Поэтому такой генератор используется в схеме измерений, в которой в качестве регистрирующих приборов используются специальный вольтметр Vs2 и измеритель средней индукции.

С помощью ползунка можно изменять амплитудное значение силы тока (а, значит, и магнитной индукции) от нулевого до максимального значения. Максимальное значение магнитной индукции определяется конкретной реализацией измерительного блока лабораторного стенда. Обычно это значение около 0,5 Тл.

Регистрирующие инструменты

Измеритель температуры предназначен для измерения температуры. Может работать с двумя различными размерностями: градусы Цельсия и Кельвины.

Рис. 24. Измеритель температуры

На окне измерителя температуры имеются кнопки . С помощью этих кнопок можно включить (или выключить) запись измеренных данных в таблицу Рабочей тетради. Кнопки могут быть в трех состояниях:

 – Активное состояние. В таблице Рабочей тетради появляется пустая колонка с заголовком, соответствующим измеренной величине – температуре. При последующих нажатиях кнопки «Запись» в области управления рабочей тетради, в колонке будут записываться показания прибора.

 – Активное состояние. В таблице Рабочей тетради исчезает пустая колонка с заголовком.

 – Запрещенное состояние. В этом случае на кнопки нажать нельзя, т.е. нельзя изменить записываемые колонки в таблице.

Активное состояние у кнопок будет при отсутствии записей в таблице. Если хоть одна запись произведена, кнопки переходят в запрещенное состояние.

Электронный осциллограф предназначен для измерения зависимости э.д.с. Холла (ось Y) от индукции магнитного поля (ось X). Как и у всех регистрирующих приборов, имеется возможность выбора размерности для обеих осей.

Рис. 25. Осциллограф в уменьшенном виде

На окне измерительного прибора имеются кнопки . Их назначение и поведение аналогично описанному выше.

Обратите внимание, что при записи данных, в отличие от всех других регистрирующих инструментов, записываться будут сразу несколько строк значений. Количество записываемых строк определяется количеством точек в периоде функционального генератора, формирующего пилообразный сигнал тока через катушку.

Измерения всей зависимости довольно длительной процесс и зависит от количества точек в периоде сигнала. Обновление данных на экране осциллографа сопровождается сменой цвета у кривой. Рекомендуется как раз в этот момент нажимать кнопку «Запись».

Если размер экрана осциллографа слишком мал, а Вам требуется рассмотреть характеристику более внимательно, можно воспользоваться кнопкой увеличения (уменьшения) рабочей панели осциллографа .

Рис. 26. Осциллограф в увеличенном виде

При этом появляется дополнительная панель, которая позволяет настроить удобный масштаб по каждой из осей. Вернуться к первоначальному представлению прибора можно нажав кнопку .

Конечно, таких элементов управления нет на реальных осциллографах, но для данных конкретных измерений они более удобны.

Обработка результатов измерений

Она возможна как после окончания записей измерения (см. область управления рабочей тетради), так и в любое другое время. Обратите внимание, что в формулах c соответствует длине образца, а d – толщине (см. рис.1).

Программное обеспечение предоставляет возможность:

  1. провести вычисления и получить новые данные из измеренных величин с помощью построителя выражений;

  2. представить результаты в графическом виде при помощи специального инструмента манипулирования графиками;

  3. сформировать отчет о лабораторной работе.

Работа с графиками осуществляется с помощью специального инструмента (рис. 27), предназначенного для графического представления измеренных и рассчитанных величин. Каждое измерение может иметь несколько графиков.

Рис. 27. Работа с графиками

В верхней части окна расположена область управления графиком, позволяющая просматривать, добавлять, удалять, менять внешнее представление графика (рис. 28). Каждый график может быть либо одной кривой, либо семейством кривых, зависящих от параметра.

Рис. 28. Область управления графиком

В левой части области имеется табличка с названием графика. Именно это название будет отображаться в качестве заголовка в области построения. С помощью «мыши» или стрелок клавиатуры можно перемещаться по уже имеющимся графикам. При этом они отображаются в области построения.

Кнопка  позволяет редактировать название графика. При нажатии на нее в области управления появляется строка ввода с названием и кнопкой (рис. 29)..

 

Рис. 29. Редактирование названия графика

После исправления названия необходимо нажать эту кнопку и результат перепишется в таблицу, а строка ввода пропадет.

Рядом с табличкой находится панель с кнопками управления. Эти кнопки реализуют следующие команды:

Новый – открывает новый график. В табличке появляется новая запись с названием по-умолчанию и включается режим редактирования названия – появляется строка ввода с названием, а кнопка  переходит в нажатое состояние.

Стиль – позволяет изменить внешнее представление графика. В этот же режим можно попасть из главного меню Инструменты–Параметры графика. В этом случае Вы установите внешний вид всех строящихся новых графиков.

Сохранить – сохраняет все изменения, произведенные с графиком.

Удалить – удаляет график, отмеченный в табличке.

В правой части области управления находится панель манипулирования данными. С помощью выпадающих списков можно сопоставить каждой оси любую из колонок таблицы рабочей тетради. Если параметр Z будет пустой, то отображается одна кривая, если же выбрана какая-либо колонка из списка, то отображается семейство кривых.

Также можно устанавливать логарифмический масштаб по любой из осей. Будьте внимательны, при выборе логарифмического масштаба значения должны быть только положительными.

Внешний вид графика. Возможно изменение цвета и толщины соединительной линии, формы и размера маркеров экспериментальных точек.

Рис. 30. Изменение внешнего вида графика

Если Ваш график состоит из семейства кривых, то в области просмотра своим цветом отображается только активная кривая (изменения для которой выполняются), а все остальные кривые – серые. Чтобы увидеть сразу все кривые, следует воспользоваться кнопкой .

Для расчета ширины запрещенной зоны (Eg) можно воспользоваться либо зависимостью ln() = f(1/T), либо ln(n) = f(1/T). В этих координатах зависимости должны быть прямыми линиями. Тогда по тангенсу угла наклона прямых определяется ширина запрещенной зоны:

Eg = –2k/q tg (угла наклона) [эВ].

В нижней части окна работы с графиками имеется панель, позволяющая построить прямую линию, наиболее лучше согласующуюся с экспериментальными значениями (риc. 31, 32). Для построения нужно нажать кнопку «Построить».

Рис. 31. Построение прямой на графике

Рис. 32. Результат определения Eg

В области построения графика появляется прямая линия с квадратными областями по краям, а на панели около кнопки – новая кнопка .

При помощи «мыши» (нажать и не отпускать левую кнопку) можно перемещать прямую по области построения, добиваясь лучшего согласования с экспериментальными точками. По окончании этого процесса следует нажать кнопку . Тогда пропадают квадратные области на линии и кнопка , а в окошке результата появляется рассчитанное значение.

Не забудьте сохранить результат для дальнейшего использования его в отчете.

Внимание! Построить прямую линию возможно на любой зависимости, поэтому правильно выбирайте нужные Вам координаты.

Построитель выражений предназначен для работы с выражениями, которые строятся на основе измеренных данных, уже существующих выражений и констант.

Рис. 33. Построитель выражений

Выражение можно либо составить с помощью кнопок, либо непосредственно в строке ввода с помощью клавиатуры (если Вы уже представляете особенности синтаксиса). Размерность выражения в расчетах не участвует. Она нужна для информации экспериментатора и для обозначения осей графиков. Однако пустой быть не должна, – если величина безразмерная, следует ввести какое-нибудь обозначение этого, например «б/р».

Рядом с табличкой с названиями выражений находится панель с кнопками управления. Эти кнопки реализуют следующие команды:

Новое – открывает новое выражение. Всего выражений для одного измерения может быть не более пяти.

Записать сохраняет все изменения, произведенные с выражением.

Удалить – удаляет выражение, отмеченное в табличке.

Назначение встроенных функций в построителе выражений понятны по их названиям. Следует только отметить, что функция Log () представляет собой натуральный логарифм.

Формирование отчета

При формировании отчета приложение интегрируется с одним из текстовых редакторов: MS WinWord или WordPad. Выбрать редактор для отчетов можно из главного меню Инструменты–Параметры отчета (рис. 34).

Рис. 34. Выбор редактора для отчета

MS WinWord предпочтительнее в качестве редактора, поскольку предоставляет более широкие возможности. В этом же окне можно выбрать, в каком представлении будут копироваться графики – в виде метафайла (*.wmf) или в виде растра (*.bmp). Выбор представления зависит от возможностей Вашего принтера и определяется экспериментально (WordPad может работать только с растровыми рисунками).

Открыть отчет возможно только при открытой рабочей тетради, либо при помощи меню, либо при помощи кнопок на панели инструментов (рис. 35).

Рис. 35. Открытие отчета

После выбора этой команды активизируется соответствующее приложение редактора с открытым файлом отчета, а на окнах приложения Hall.exe появляются кнопки (рис. 36, 37). Эти кнопки позволяют скопировать соответствующий элемент приложения в отчет (кнопки появляются в районе левого верхнего угла копируемого элемента).

При использовании WinWord, нажатие на кнопку приводит к появлению в отчете соответствующего элемента. При использовании WordPad, нажатие на кнопку приводит к копированию в буфер обмена соответствующего элемента. Чтобы он появился в отчете, следует переключится в WordPad и воспользоваться командой меню Правка–Вставить.

Рис. 36. Кнопки «Копировать» при формировании отчета в рабочей тетради

Рис. 37. Кнопки «Копировать» при работе с графиками и выражениями

Переключение между отчетом и приложением Hall.exe легко осуществляется при помощи панели задач Windows (рис. 38).

Рис. 38. Переключение между редактором отчета и приложением Hall.exe

После того, как отчет сформирован, его можно распечатать. Закрыть отчет можно с помощью команды меню или кнопки на панели инструментов (рис. 39).

Рис. 39. Закрытие отчета

После выбора этой команды закрывается соответствующее приложение редактора и пропадают кнопки на окнах лабораторной работы.

Примерная методика проведения измерений, порядок расчета параметров по результатам измерений и построение графиков.

Разработаны три варианта заданий по выполнению лабораторной работы, которые позволяют определить электрофизические свойства твердых тел, используя различные схемы измерения параметров. Преподаватель может предложить студентам выполнить тот или иной вариант задания, либо последовательность выполнения заданий.

Вариант №1

Определение ЭДС Холла и ее составляющих, зависимости ЭДС Холла от индукции магнитного поля при фиксированных значениях тока, протекающего через исследуемый образец, электропроводности и удельного сопротивления полупроводников, типа и концентрации носителей заряда, подвижности носителей заряда при комнатной температуре (схема измерения №1.)

  1. Запустить программное обеспечение стенда для исследования эффекта Холла, при этом на экране монитора появится первая схема измерения

  2. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

  3. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.

  4. Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Редактирование».

  5. На схеме измерения активизировать управляющие и регистрирующие инструменты, необходимые для измерения зависимостей:, .

  6. При помощи управляющего инструмента «Ток в образце» установить силу тока, протекающего через исследуемый образец, равной 1 мА, (по указанию преподавателя) значения которого фиксируются «Амперметром».

  7. Измерить суммарную ЭДС Холла при помощи вольтметра V2. представляет собой сумму из двух членов: искомое значение ЭДС Холла, ЭДС в отсутствии магнитного поля в зазоре электромагнита.

  8. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

  9. При помощи управляющего инструмента «Ток в катушке» установить положительное значение силы тока, протекающего через катушку электромагнита. Значения силы тока, протекающего через катушку, при помощи калибровочной зависимости в рамках программного обеспечения пересчитываются в значения индукции магнитного поля В, которое регистрируется инструментом «Индукция» (например, 0,01 Тл).

  10. Измерить суммарную ЭДС Холла при помощи вольтметра V2.

  11. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

  12. При помощи управляющего инструмента «Ток в катушке» последовательно установить положительные значения силы тока, протекающего через катушку электромагнита соответствующие положительному значению индукции магнитного поля в зазоре электромагнита, от 0,02 до 0,2 Тл (пять – десять значений равномерно расположенных в указанном интервале изменения В), измеряя суммарную ЭДС Холла вольтметром V2 и записывая результаты в таблицу «Рабочей тетради».

  13. Проделать п.п 6-12 для силы тока, протекающего через исследуемый образец, равной 2 мА, 3 мА.

Порядок расчетов и построение графиков
  1. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Вычислить».

  2. Из таблицы определить значения ЭДС Холла в отсутствии магнитного поля в зазоре электромагнита для каждого значения тока, протекающего через исследуемый образец, и вычесть их из значения суммарной ЭДС Холла для текущей индукции магнитного поля B, при соответствующей силе тока, протекающего через исследуемый образец. (11)

  3. Определить значения постоянной Холла для различных значений В и силы тока, протекающего через образец, равной I= 1мА, 2мА, 3 мА по уравнению (5).

  4. Определить тип и концентрация свободных носителей заряда по формуле (6).

  5. Сопротивление исследуемого образца определяется по закону Ома (12)

  6. Рассчитать удельное сопротивление и электропроводность исследуемого образца соответственно по уравнениям (13) и (14)
    , (13)
    , (14)
    где а, d – ширина и толщина исследуемого образца, l –длина.

  7. Рассчитать подвижности свободных носителей заряда по уравнению (10).

  8. Построить график зависимостей измеренного суммарного значения ЭДС Холла как функции от B и I, для чего в «области управления» «Рабочей тетради» нажать кнопку «График».

  9. На панели «График» нажать кнопку «Новый».

  10. В окне «Название» указать вид зависимости, например,.

  11. Выбрать оси координат. По вертикальной оси указать , по горизонтальной В. а в окне «Параметр Z» – I.

  12. Нажать кнопку «ОК». В результате появится семейство графиков зависимостей суммарной ЭДС Холла от величины индукции магнитного поля для фиксированных значений силы тока, протекающего через исследуемый образец, затем нажать кнопку «Сохранить» для сохранения их в рабочей тетради.

  13. Аналогично пп. 8–12 построить график зависимости значения ЭДС Холла .

Вариант №2

Определение ЭДС Холла и ее составляющих, зависимости ЭДС Холла от индукции магнитного поля при фиксированных значениях тока через исследуемый образец, электропроводности и удельного сопротивления полупроводников, типа и концентрации носителей заряда, подвижности носителей заряда при комнатной температуре (схема измерения №2)

  1. Включить программное обеспечение стенда для исследования эффекта Холла, выбрать в меню «Измерение» схему №2.

  2. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

  3. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.

  4. Задание измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Название».

  5. На схеме измерения активизировать управляющие и регистрирующие параметры инструменты, необходимые для измерения зависимостей: ,.

  6. При помощи управляющего инструмента «Ток в образце» установить силу тока, протекающего через исследуемый образец, например 1 мА, значения которого фиксируются «Амперметром».

  7. Используя управляющий инструмент «Функциональный генератор», установить при помощи ползунка амплитудное значение силы тока, протекающего через катушку электромагнита. Значения силы тока, протекающего через катушку, при помощи калибровочной зависимости в рамках программного обеспечения пересчитываются в значения индукции магнитного поля В, которые регистрируются инструментом «Осциллограф», (максимальное значение В=0,2 Тл). В окошке установить количество измеряемых точек за один период работы генератора (по указанию преподавателя).

  8. Зависимость суммарной ЭДС Холла от индукции магнитного поля при заданном значении силы тока, протекающего через образец, отображается на экране осциллографа.

  9. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

  10. Проделать п.п 6-9 для силы тока, протекающего через исследуемый образец, равные 2 мА, 3 мА.

Порядок расчетов и построение графиков
  1. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Новое».

  2. Из таблицы или из графиков зависимостей определить значения ЭДС Холла в отсутствии магнитного поля в зазоре электромагнита для каждого значения тока, протекающего через исследуемый образец, и вычесть их из значения ЭДС уравнение (11).

  3. 3. Определить значения постоянной Холла для различных значений В и силы тока, протекающего через образец, равные I= 1мА, 2мА, 3 мА, используя уравнение (5).

  4. Определить концентрации свободных носителей заряда по формуле (6).

  5. Сопротивления исследуемого образца определяется по закону Ома (12).

  6. Рассчитать удельное сопротивление и электропроводность исследуемого образца соответственно по уравнениям (13) и (14).

  7. Рассчитать подвижность свободных носителей заряда по уравнению (10).

  8. Построить график зависимостей измеренного суммарного значения ЭДС Холла как функции от B и I, для чего в «области управления» «Рабочей тетради» нажать кнопку «График».

  9. Построить график зависимости искомого значения ЭДС Холла

Вариант №3

Определение температурных зависимостей концентрации, подвижности носителей заряда, удельного сопротивления и электропроводности полупроводника (схема измерения №3).

  1. Запустить программное обеспечение стенда для исследования эффекта Холла, при этом на экране монитора появится первая схема измерения

  2. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в «Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».

  3. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение», где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.

  4. Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажатия кнопки «Редактирование».

  5. На схеме измерения активизировать управляющие и регистрирующие инструменты, необходимые для измерения зависимостей: , .

  6. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

  7. При помощи управляющего инструмента «Ток в образце» установить силу тока, протекающего через исследуемый образец, например 1 мА, (по указанию преподавателя) значения которого фиксируются «Амперметром».

  8. Посредством управляющего инструмента «Ток в катушке» установить амплитудное значение силы тока, протекающего через катушку электромагнита (по указанию преподавателя). Значения силы тока, протекающего через катушку, при помощи калибровочной зависимости в рамках программного обеспечения пересчитываются в значения индукции магнитного поля В, которое регистрируется инструментом «Индукция».

  9. Измерить ЭДС Холла EDS при помощи вольтметра Vs2.

  10. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

  11. Включить нагреватель, для чего щелкнуть на выключателе «Нагревателя» левой кнопкой «мыши». Светодиод индицирует состояние включения (выключения) термостата. В окне «Температура» отражается текущее значение температуры исследуемого образца. Максимальная температура нагрева 120º С.

  12. Измерять значения напряжения на исследуемом образце вольтметром V1, ЭДС Холла при помощи вольтметра Vs2 в диапазоне температур 20…120º С. Количество измеряемых точек должно быть 7…10.

  13. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кнопку «Записать».

Порядок расчетов и построение графиков
  1. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель выражений», нажать кнопку «Новое».

  2. Определить температурную зависимость постоянной Холла по уравнению (5).

  3. Определить температурную зависимость концентрации свободных носителей заряда, используя уравнение (6).

  4. Рассчитать значения и .

  5. Температурная зависимость сопротивления исследуемого образца определяется по закону Ома (уравнение 12).

  6. Рассчитать температурные зависимости удельного сопротивления и электропроводности исследуемого образца соответственно по уравнениям (13) и (14)

  7. Рассчитать значения .

  8. Рассчитать подвижности свободных носителей заряда по уравнению (10).

  9. Рассчитать значения .

  10. Построить график температурной зависимости концентрации свободных носителей заряда в координатах: .

  11. Построить график температурной зависимости постоянной Холла.

  12. 20. Построить график температурной зависимости подвижности носителей заряда .

  13. Аналогичным образом построить график температурной зависимости электропроводности исследуемых образцов в координатах: и .

  14. Путем графического дифференцирования зависимостей и определить энергию ширины запрещенной зоны полупроводника, используя следующее уравнение

  15. ,
    где k – постоянная Больцмана.

Контрольные вопросы
  1. В чем сущность эффекта Холла?

  2. Какой физический смысл имеет постоянная Холла?

  3. Какие электрофизические свойства полупроводников можно исследовать с помощью эффекта Холла?

  4. Почему под действием силы Лоренца электроны и дырки отклоняются в одну сторону?

  5. Какие физические процессы определяют величину подвижности носителей заряда в полупроводниках?

  6. Как объяснить природу возникновения дополнительной ЭДС, возникающей при исследовании эффекта Холла?

  7. Как определить доминирующий механизм рассеяния носителей заряда?

  8. В чем сущность эффекта Холла в полупроводниках со смешанным типом приводимости?

Холла эффект, измерение — Энциклопедия по машиностроению XXL

Инерционность Холл-эффекта определяется максвелловскими временами релаксации, т. е. чрезвычайно мала. Это позволяет применять датчики Холла для измерения высокочастотных магнитных полей, для определения силы тока по величине созданного им магнитного поля и т. п.  [c.270]

Существуют прямые методы измерения подвижности, основанные на соотношении (26), но чаще всего подвижность определяют по величине п и коэф. Холла Лд, измеренному в слабом магн. поле П (см. Холла эффекту.  [c.40]


Измерения коэффициента Холла и измерение оптической отражательной способности доказывают, что электроны свободны или приблизительно подчиняются теории Друде, даже в тех жидких металлах (Bi, Sb, Ga, Ge и т. д.), в которых дифракционные исследования обнаруживают определенную долю неметаллической связи и поэтому присутствие несвободных электронов (см. раздел 1). Все же у некоторых металлов имеются небольшие отклонения от поведения действительно свободных электронов. В настоящее время невозможно решить, результат ли это ошибок прямых измерений ошибок измерения атомных объемов, используемых в теории для вычисления характеристик свободных электронов нечувствительности теории или действительного отклонения электронов от поведения свободного электронного газа. Ограниченное число измерений сдвига Найта косвенно указывает, что электроны ведут себя как несвободные, не вызывая изменений в сдвиге и, следовательно, в электронных состояниях после плавления. Измерения магнитной восприимчивости по разным причинам не способны подтвердить этого, но обычно вместе с электросопротивлением и эффектом Холла показывают существенное изменение после плавления при образовании свободного электронного газа. Это наводит на мысль (что не соответствует данным по сдвигу Найта), что плотность состояний после плавления значительно изменяется, хотя дело не доходит до положения абсолютно свободных электронов. Сообща-  [c.142]

Датчики эффекта Холла можно использовать в качестве компаса и для измерения напряженности поля земного магнетизма. Эффект Холла позволяет осуществить преобразование постоянного напряжения в переменное. Для этого датчик, по которому протекает постоянный ток, достаточно поместить в переменное магнитное поле, и мы получим переменную э. д. с. эффекта Холла. Эффект Холла можно использовать для генерирования колебаний, измерения тока и мощности, модулирования сигналов, детектирования, анализа частот и для ряда других целей.  [c.314]

Экспериментально подвижности, концентрации и знак носителей заряда определяются гл. обр. измерением а и эдс Холла (см. Холла эффект) П. с током Г  [c.110]

Особенно тщательные предосторожности необходимо соблюдать при измерениях нечетного гальваномагнитного эффекта в ферромагнетике, так как здесь приходится иметь дело с очень малыми величинами изменений э. д. с. при включении поля (эффект Холла). Схема измерений этого явления состоит в следующем. Пластинка из испытуемого материала помещается между полюсами электромагнита в однородное магнитное поле. К пластинке подводится электрический ток I (электроды 3 и 4) и два вторичных электрода 1 и 2, которые снимают разность потенциалов в направлении, перпендикулярном к направлению тока г (рис. 128). Положение электродов должно быть таким, чтобы до включения магнитного поля они находились на эквипотенциальной линии, т. е. чтобы разность потенциалов равнялась нулю. Ес-  [c.233]


Измерение эффекта Холла совместно с измерениями проводимости образца позволяет получать информацию о знаке носителей заряда, концентрации носителей и их подвижности.  [c.261]

Подвижность носителей и проводимость. Дрейфовая подвижность Цдр = Удр/ , где идр — дрейфовая скорость носителей в электрическом поле Е. Определяется прямыми опытами по времени распространения инжектируемого импульса неосновных носителей в образце. Удельная проводимость а связана с дрейфовой подвижностью Цр электронов и дырок и их концентрацией пир соотношением а = е(пр.,г + рп ). Измерение эффекта Холла позволяет определить холловскую подвижность р,н=1 а1, где R — коэффициент Холла.  [c.454]

Обычно tii определяют экспериментально по данным измерений эффекта Холла и проводимости в соответствующем интервале температур.  [c.455]

Таким образом, результаты измерений эффекта Холла показали, что рассматриваемая в этом разделе модель не объясняет отличие измеренного значения п от валентности для ряда металлов, не позволяет понять положительного знака Rh для некоторых металлов (положительно заряженного электрона в модели Друде быть не может ), не согласуется с обнаруженной зависимостью Rh от Я.  [c.44]

Концентрация носителей заряда и их подвижность являются характеристическими параметрами полупроводника. Измерение удельной проводимости полупроводников позволяет определить только произведение этих двух параметров. Для их разделения можно воспользоваться эффектом Холла. Смещение носителей заряда Б поперечном направлении в полупроводнике прекратится, когда сила Лоренца уравновесится силой возникшего поперечного электрического поля сместившихся зарядов  [c.238]

Эффект Холла применяют при измерении электропроводности по данным плотности электронов проводимости и подвижности электронов  [c.140]

Схема измерения электропроводности с помощью эффекта Холла приведена на рве. 1.367.  [c.140]

Неметаллический вклад в связь должен в результате также частично локализовать электроны проводимости в связанных состояниях вокруг металлических атомов. Некоторые физические свойства чувствительны к состоянию электронов в металлах (например, эффекта Холла, оптическая отражательная способность), эти данные говорят о том, что электроны проводимости почти или совершенно свободны в щелочных металлах, металлах I—VB групп Периодической системы элементов и даже в тех металлах, для которых по данным измерения других свойств (например, Ga, Ge, Sn, Bi, Sb) найдена ча-  [c.166]

В системах с чистым размерным фактором , т. е, в тех, в которых фактор электроотрицательности мал, трудность в смешивании должна быть результатом изменения в координации вследствие входа атома одного размера в скопление атомов другого размера это вызывает изменение межионного потенциала и, следовательно, внутренней энергии жидкости. Изменение энергии при смешении представляет собой энергию деформации в жидком растворе [49, с. 2В 602], так как энергия изменяется из-за смещения атомов из их положения равновесия. Изменение межатомного потенциала можно обнаружить с помощью измерения свойств, связанных с переносом электронов, например удельного сопротивления и эффекта Холла. Поиски группировок в этих жидкостях вдоль критической кривой дают несколько более определенные результаты они почти точно обнаруживаются при тщательном измерении вязкости или термодинамических параметров.  [c.174]


Измерение эффекта Холла в примесной области позволяет определить концентрацию носителей заряда и тип проводимости. Незнание механизма рассеяния приводит к очень больщой ошибке в определении концентрации. Если измерение эффекта Холла дополнено измерением удельной электро-пройодности, то,. используя 1равемсТ В0 о= епр, и (4.29), М ож-но определить подвижность носителей в примесной области  [c.136]

Для электрич. свойств О. в, с. в нормальном состоянии типичен линейный рост сопротивления с изменением темп-ры. Ква-аидвумерная слоистая структура О. в. с. проявляется в сильной анизотропии ферми-поверх-ности, электрических и сверхпроводящих свойств. Измерение ковф. Холла и Зеебека указывает, что носителями заряда в большинстве О. в. с. являются дырки (см. Зеебека эффект. Холла эффект], хотя имеются соединения и с электронным типом проводимости (наир., т . Се СиО , Г, — 24К).  [c.403]

Поперечный С.— Ш. э. состоит в возиикновени) в сильных полях в образцах, вырезанных вдоль произвольных направлений, отличных от осей симметрии, поперечной эдс (эдс Сасаки). Она фиксирует появление угла между направлениями электрич. тока J и напряжённости электрич. поля Е (угол Сасаки). Эдс Сасаки измеряется так же, как эдс Холла (сч. Холла эффект), но в отсутствие магн, поля (рис, 1) . Наряду с измерениями в пост, электрич. полях (импульсных — во избежание разогрева джоулевым теплом) для исследования анизотропия проводимосгж горячих электронов использованы СВЧ-поля,  [c.418]

В технике используют полупроводниковые материалы, которые имеют /7- -переходы, обусловливающие запорный слой, с униполярной проводимостью и выпрямительньш эффектом для переменного тока. Полупроводниковые материалы дают возможность изготовлять выпрямители, усилители и генераторы различной мощности, преобразователи различных видов энергии в электрическую и обратно (солнечные батареи, термоэлектрические генераторы и др.), нагревательные элементы, датчики Холла для измерения напряженности магнитного поля, индикаторы радиоактивных излучений, различные датчики (давления, температуры), регуляторы тока и напряжения, нелинейные сопротивления для вентильных разрядников защитной аппаратуры в линиях высокого напряжения, счетчики ядерных частиц, элементы памяти в вычислительных машинах.  [c.237]

Примером исиользования эффекта Холла для измерения напряженности магнитного поля является измеритель магнитной индукции ИМИ-3 . Изл1еритель магнитной индукции ИМИ-3 имеет два датчика один — для измерения индукции в зазоре электромагнитов и посто-110  [c.110]

В нек-рых полупроводниках, иапр. антимониде индия, подвижность электронов (см. По.гупровод-никовые материалы) очень велика ( 80 ООО), что приводит к настолько сильно выраженному Холла эффекту, что он может служить не только для измерения слабых магнитных полей, но и для создания усилителей элет-рич. колебаний.  [c.116]

Об измерении Холл-эффекта в ферромагнетиках см. А. Комар и Н. Волкенштейи, ДАН СССР, 60, 785 (1948). (Прим. ред.)  [c.82]

В первом приближении мы можем рассматривать энергетические уровни внедрённых атомов цинка, как если бы оии были свободными атомами в однородной поляризуемой среде. Как мы видели в предыдущем параграфе, основной эффект поляризуемости ) заключается в уменьшении расстояния между основным состоянием и континуумом. Предположим, что мы имеем атом водорода в среде, показатель преломления которой равен п. Тогда потенциал взаимодействия электрона и протона будет —где г—расстояние между центрами двух частиц. Наличие п в выражении для потенциальной энергии требует замены постоянной Ридберга R величиной где R есть нормальное значение для свободного атома. Показатель преломления окиси цинка примерно равен 2, так что следует ожидать уменьшения энергии ионизации примерно в десять раз (по порядку величины). Этот качественный результат может быть приложен к цинку, который имеет потенциал ионизации 9,36 еУ, т. е. энергия ионизации внедрённых атомов должна понизиться до 1 еУ. Однако наблюдаемое значение б в уравнении (112.1) ещё ниже, чем это значение. Например, для образцов, нагревавшихся длительное время в вакууме, е обычно меньше 0,01 еУ. Более того, Фрич (см. 37) нашёл, что е в уравнении 012-1) зависит от давления кислорода, и показал, что е увеличивается, когда плотность внедрённых атомов цинка уменьшается. Этот эффект указывает н то, что промежуточные атомы цинка взаимодействуют друг с другом и в некоторой степени уменьшают расстояние между связанными и свободными уровнями. Согласно измерениям Холл-эффекта плотность внедрённых атомов — величииа порядка 101 , так что это взаимодействие мыслимо только в том случае, если радиус внедрённых атомов в десять раз больше, чем радиус нормального атома цинка. Кроме того, радиус атома водорода в среде с показателем преломления п должен быть в л- раз больше, чем радиус нормального атома. Таким образом, возможно, что электроны внедрённых атомов движутся по очень большим орбитам, поскольку окружающая среда сильно поляризована.  [c.494]

Ф. с.— весьма чувствит. метод анализа. Так, в образце Ge, спектр к-рого приведён на рис., суммарная концентрация электрически активных примесей 10 1 % (теоретич, предел чувствительности Ф. с. ещё на неск. порядков ниже). Относит, концентрации разл, примесей в ПП измеряют по интенсивностям линий в спектре. Определение абс. концентраций требует дополнит, измерения концентрации эл-нов (или дырок) при такой темп-ре, когда все примеси термически ионизованы (см. Холла эффект). Ф. с. позволяет установить состав как осн., так и компенсирующих примесей в ПП. Существуют варианты Ф. с. лазерная магн. Ф. с. (лазерное фото возбуждение примесей в ПП, находящемся в магн. поле) и лазерная электрич. Ф. с. (ионизация возбуждённых светом примесных атомов электрич. полем вместо термоионизации).  [c.829]

Поэтому при известном механизме раосеания совместное измерение эффекта Холла и дифференциальной термо-эдс позволяет оценить величину эффективной массы электрона. Кроме того, меняя степень легирования образца, можно проверить, является ли соответствующая зона (свободная >—для образца л-типа, валентная — для р-типа) параболической. Напоминаем, что в качестве грубого критерия вырождения электронного газа принимается совпадение уровня Ферми с дном зоны проводимости (с потолком валентной зоны для полупроводника р-типа), т. е. критическая концентрация электронов, соответствующая началу вырождения, определяется из равенства  [c.142]


Бурное развитие электроники п фотоэлектроники в последнее десятилетие значительно расширило диапазон средств измерительной техники в теории машин. В последние годы техника, связанная с экспериментальными исследованиями машин, развивается за счет новых свойств полупроводников и диэлектриков, обладающих чувствительностью, в десятки раз превышающей чувствительность обычных тензодатчиков, что упростило и облегчило решение многих задач экспериментального исследования машин. Наряду с полупроводниками в последние годы в измерительную технику вошли диэлектрики, датчики, основанные на эффекте Холла, электрокинема тические датчики и другие средства измерения, основанные на достижениях современной физики, химии и электроники.  [c.32]

Для измерения напряженноети магнитных полей используются магнитометры (тесламетры) на эффекте Холла, индукционные и феррозондовые с порогом реагирования 10 . . . 10 Тл, квантовые с порогом реагирования 10 . .. 10 Тл, сверхпро-водниковые с порогом реагирования 10 . . . Тл. Магни-  [c.147]

Все эти эффекты могут использоваться для измерения перемещения магниточувствительного элемента в неоднородном магнитном поле [22]. Схема такого преобразователя, например, с элементом Холла, показана на рис. 19 (для удобства изображения направление поля повернуто в плоскость рисунка). Магнитное поле создается постоянным магнитом, причем подбирают такую его конфигурацию, чтобы в рабочем пространстве градиент поля был постоянным, й = Sq (1 + рл ), где х  [c.207]

В области измерений электрических и магнитных величин (включая радиотехнические) созданы и функционируют 32 эталона. Они перекрывают не только большой диапазон значений измеряемых величин, но и широкий спектр условий их измерений, прежде всего частоты, доходящей до десятков гигагерц. Основу составляют эталоны, которые наиболее точно воспроизводят единицы и определяют размеры остальных производных единиц. Это государственные первичные эталоны единиц ЭДС, сопротивления и электрической емкости. Первые два разработаны недавно и основаны на квантовых эффектах Джозефсона и Холла.  [c.38]

Измерение напряженности магнитного поля с использованием эффекта Холла [32]. В качестве материалов для датчиков Холла используются полупроводники, обладающие большой подвижностью носителей тока (Те. В1, Не, HgTe, 1пАз, 1п8Ь).  [c.307]

Измерение напряженности магнитного полЛ с использованием эффект.а Холла. Э. д. с. Холла пропорциональна напряженности магнитного юля, пронизываю1цего датчик, при постоянной величине тока, проходящего через него. На рис. 9.46 приведена прин-mmHajOjuaH схема установки для измерения напряженности поля.  [c.96]

Конечно, можно выразить свойства этих сплавов в виде структурной и температурной зависимости а(к) и объяснить их с помощью теорий Займана [304],Марча [24] и других подобных им теорий, но потребуется больше данных по дифракции, даже если будем иметь удовлетворительную, не основанную на модели свободных электронов теорию [150]. Эта и использованная здесь точки зрения несовместимы, так как, удовлетворительно выразив свойства через g (г) и, следовательно, через а (к), нужно еще объяснить с помощью исходных первоначальных данных о природе и свойствах межатомной связи, почему g (г) изменяется тем или иным образом с изменением температуры и состава. Между тем чувствительность к состоянию электронов в жидкости эффекта Холла и других измерений тоже имеет значение. Почти точно установлено, что поведение эффекта Холла типично для металлической связи (R отрицательна независимо от температуры), так как эта величина не особенно чувствительна к небольшому отклонению от действительно металлического поведения в жидких сплавах (см.ниже).  [c.128]

Было интересно иметь подобные результаты для типично неметаллических жидкостей, таких как сульфиды и селениды таллия. При измерении эффекта Холла итер-мо-э.д.с. в сплавах системы Hg—In обнаружили отклонение от случая, когда электроны компонентов, составляющих расплав, ведут себя как свободные [435, 436]. Подобные же выводы сделаны на основании оптических измерений [437] (см. ниже). Эта система содержит два соединения, которые плавятся конгруэнтно при очень низкой температуре измерения проводили при комнатной  [c.139]

Измерения вязкости, плотности, поверхностного натяжения и других неэлектронных параметров прямо не указывают на структуру, хотя в принципе можно определить прочность межатомной связи из этих данных с помощью одной из теорий жидкости, основанной на функции радиального распределения. Термодинамические и физические измерения высокочистых материалов могут дать информацию о явлениях пред- и послеплавления. Необходимо измерить удельную теплоемкость многих жидких металлов, особенно в широких температурных интервалах, чтобы исследовать истинную температурную зависимость спектра колебаний в этих материалах и его изменение после плавления. Нужны прямые электронные измерения, в частности эффекта Холла, термо-э.д. с. и магнитных свойств, чтобы точно установить степень, до которой можно применять модель свободных электронов к жидким металлам. Представляется широкое поле деятельности для работы над металлами с высокой точкой плавления, хотя здесь, конечно, имеются серьезные экспериментальные проблемы кажется, можно получить много прямых доказательств из некоторых необычных измерений — например, изучение аннигиляции позитронов и, следовательно, средней длины свободного пробега электронов или изучения мягкого рентгеновского спектра. Измерения ядерного магнитного резонанса и электронного спина также могут дать полезные результаты. Ясно, что требуется оче нь много экспериментальной информации, чтобы окончательно установить структуру жидких металлов и серьезно проверить с помощью эксперимента любую теоретическую обработку.  [c.168]


Эффект Холла – обзор

1.07.5.1 Сравнение АЭХ и СТЭ

СТЭ тесно связан с АЭХ в металлических ферромагнетиках, как обсуждалось в разделе 1.07.1. Оба обусловлены релятивистским взаимодействием SO, и рассматриваются внутренние и внешние механизмы. В более явном виде можно рассматривать SHE как две копии AHE для вращений вверх и вниз. Эта аналогия верна в приближении нулевого порядка, но есть несколько отличий, как описано ниже.

Важным отличием является то, что заряд является сохраняющейся величиной и ток заряда в АЭХ хорошо определяется как нётеровский ток, связанный с калибровочной симметрией U(1), в то время как спин не сохраняется при наличии SO-взаимодействия и соответственно уравнение непрерывности для спина и спинового тока не может быть получено в общих ситуациях.Поэтому определение спинового тока несколько условно, и прямое наблюдение за спиновым током намного сложнее, чем за током заряда, как обсуждалось ранее. Вот почему экспериментальное наблюдение СТЭ было довольно косвенным, например, путем измерения последующего накопления спина вблизи края образца. В этом случае необходимо провести анализ уравнения спиновой диффузии, включающего спад спиновой плотности за счет SO-взаимодействия, которое вводится феноменологически.

Более прямое обнаружение спинового тока по падению напряжения перпендикулярно ему. Это так называемый эффект Ааронова-Кашера в вакууме, но он очень мал, поскольку величина эффекта в вакууме содержит в знаменателе массу покоя электрона mc 2 . В твердых телах эффективное взаимодействие SO может быть значительно увеличено с коэффициентом mc 2 / Δ E , где Δ E является шириной запрещенной зоны.Этот коэффициент может достигать 10 6 , и, следовательно, обнаружение спинового тока в твердых телах намного проще. Эта идея уже использовалась в ISHE, как обсуждалось в разделе 1.07.3 для металлических SHE.

В случае АЭХ были разработаны теоретические исследования пересечения между внешними и внутренними доминантными областями с учетом пересечения зон вблизи энергии Ферми, которое резонансно усиливает АЭХ (Миясато и др. , 2007; Онода и др., 2006b). Репрезентативной модельной системой является гамильтониан Рашбы со спиновой поляризацией. Например, переход от очень чистого металла, где преобладает СС, к обычной металлической области, где собственный вклад определяет σ H , происходит при ħ / τ ≅Δ, где τ — транспортное время жизни, Δ — энергия СК. На этом кроссовом, продольная проводимость σ xx xx намного больше е 2 / ч , то есть Σ xx ≅ ( E 2 / ч )(ɛ F / Δ).Если еще увеличить силу беспорядка, второй кроссовер произойдет при х /(ε F τ ) ∼ 0,1 в область, где новый скейлинг σ H ) ϕ с показателем ϕ ≅ 1,6. Этот теоретический прогноз (onoda et al. , 2006b), при переведении в 3D-системы путем замены E 2 / H на E 2 / ( HA ) ≅ 10 3 (Ом·см) −1 (где a — постоянная решетки, предположительно равная примерно 4 Å), довольно хорошо согласуется с недавними экспериментальными исследованиями в течение многих десятилетий силы беспорядка (Miyasato et al., 2007). Таким образом, х /( τ Δ) и, следовательно, абсолютное значение продольной проводимости является ключевым параметром для управления поведением АЭХ, что разрешает давний спор.

С точки зрения приведенных выше результатов, СТЭ в полупроводниках все находится в сильно неупорядоченной области, где ожидается 1,6-степенной закон, но детальное изучение зависимости σ xx σ s никогда не сделано. С другой стороны, в случае металлов жизненно важную роль играют пересечения полос, что приводит к усилению собственного СТЭ в обычных металлических системах, как обсуждалось в разделе 1.07.3.2. При дальнейшем уменьшении беспорядка вклад внешнего СС является доминирующим, и СГК σ s пропорциональна диагональной зарядовой проводимости σ xx и спиновому углу Холла γ S  = σ s / σ xx характеризует спиновый отклик Холла. Аналогичным образом определяется и аномальный угол Холла, то есть γ = σ s / σ xx . Типичное значение γ порядка 10 −3 , что соответствует отношению СОВ к энергии Ферми.При активном резонансном рассеянии на виртуальном связанном состоянии d-орбиталей γ имеет порядок (λ/Δ)δ 1 , где λ — энергия СОВ, Δ — энергия гибридизации между d-орбиталями и s-зоны, т. е. ширина виртуального связанного состояния, а δ 1 — фазовый сдвиг для p-рассеяния (Fert and Jaoul, 1972). Это может быть порядка 10 −2 , поскольку λ/Δ ≅ 0,1 и δ 1 ≅ 0,1 возможны, но не больше. Поэтому гигантская SHE, наблюдаемая в Au (Seki et al., 2008) свидетельствует о существенном различии между AHE и SHE. Например, SHE — это не просто две копии AHE для ап- и даун-спинов. Это естественно, поскольку компоненты спинового оператора x и y играют некоторую роль в квантовых флуктуациях, что приводит к образованию синглетов в эффекте Кондо, как обсуждалось в разделе 1.07.3.2 (Guo et al. , 2009; Танака и др. , 2008). Это может быть механизмом усиленной СТЭ по сравнению с АЭХ.В любом случае роль электронной корреляции и квантовой флуктуации спинов будет важным вопросом в будущем.

Что такое датчик Холла и как он работает?

Ⅰ Введение

Эффект Холла является наиболее распространенным методом измерения магнитных полей, и датчики Холла широко используются и имеют широкий спектр применений в наше время. Например, они используются в автомобилях в качестве датчиков скорости вращения колес и датчиков положения коленчатого или распределительного вала.Они часто используются в качестве переключателей, компасов MEMS, датчиков приближения и других приложений. Теперь мы рассмотрим некоторые из этих датчиков, чтобы увидеть, как они работают, но сначала давайте определим эффект Холла.

 


Каталог

 


Ⅱ Что такое эффект Холла

Эксперимент, описывающий эффект Холла , выглядит следующим образом: сторону к другой.

Теперь, если мы приложим магнитное поле к пластине, мы можем нарушить прямолинейный поток носителей заряда благодаря силе, известной как сила Лоренца. Электроны отклонятся к одной стороне пластины, а положительные дырки отклонятся к другой. Это означает, что если мы теперь соединим две другие стороны с измерителем, мы можем получить напряжение, которое можно измерить.

Как упоминалось ранее, эффект получения измеримого напряжения известен как эффект Холла в честь Эдвина Холла, открывшего его в 1879 году.

 

 


Ⅲ Что такое датчик Холла

Датчик Холла обнаруживает изменения мощности магнитного поля. Этот датчик открывает широкий спектр возможностей для применения в роботизированных датчиках.

Их можно использовать в таких приложениях, как измерение приближения, позиционирования, скорости и тока. Обычно они используются на пневматических цилиндрах, где они используются для передачи положения цилиндра на ПЛК или роботизированный контроллер.

Автомобили, персональная электроника и робототехника — это лишь некоторые из отраслей, в которых используются датчики Холла.В зависимости от области применения они имеют некоторые преимущества перед другими датчиками.

 

Они полностью закрыты, потому что работают с магнитным полем, что делает их менее уязвимыми к повреждениям в грязных или влажных условиях. Они реже, чем механические системы, изнашиваются или искажают показания после большого количества циклов.

 

Датчики Холла

полезны для широкого спектра применений благодаря их надежности и долговечности, поскольку для правильной работы им не требуется физический контакт.Они могут обеспечить большую воспроизводимость и точность, чем механические устройства, потому что они физически не мешают оборудованию или инструментам.

 

 


Ⅳ Как работает датчик Холла

Лучше всего начать с основ эффекта Холла, чтобы понять принцип работы датчика Холла. Когда ток течет по проводнику в присутствии магнитного поля, электроны отталкиваются магнитным полем к одной стороне проводника.

 

Эффект Холла можно использовать для измерения электрического тока в проводниках, построенных с учетом определенных параметров.Напряжение на плоском металлическом проводнике, например, показывает эффект Холла намного лучше, чем напряжение вокруг одного.

Электроны, движущиеся по проводнику, смещаются в одну сторону, когда магнитное поле прикладывается к плоской пластине. Поскольку сумму отклонений можно рассчитать, устройство имеет широкий спектр применения.

 

Плоский проводник используется для расчета магнитной силы в датчике Холла. Когда магнит приближается к датчику, датчик обнаруживает это и отправляет информацию на контроллер.

 

Заряд на пластине смещается в одну сторону, пока магнит находится рядом с датчиком, создавая положительный заряд с одной стороны и отрицательный заряд с другой. Определяется разница напряжений между двумя сторонами пластины, и ее можно использовать для расчета магнитной силы или близости датчика.

 

 


Ⅴ Типы датчиков Холла

Датчики Холла бывают двух основных типов:

5.1 Пороговый

Когда напряженность поля достигает определенной амплитуды и/или полярности, пороговое значение (также называемое цифровым или двухпозиционное) создает постоянное напряжение Холла.Существует несколько различных конфигураций пороговых устройств, например фиксирующие устройства, которые включаются, когда положительная напряженность поля достигает порога, но выключаются только тогда, когда отрицательное поле той же силы достигает порога, устройства, которые включаются, когда только положительное поле достигает порога. порог, но выключены в противном случае, и устройства, которые включаются, когда положительное или отрицательное поле достигает порога. Пороги также могут быть запрограммированы на некоторых компьютерах.

 

5.2 Линейный

Линейный (датчик с аналоговым выходом) генерировал напряжение Холла, пропорциональное напряженности магнитного поля вокруг него. Полярность колебаний напряжения определяется направлением окружающего магнитного поля. Когда выразительные движения должны восприниматься как небольшие изменения положения, в музыкальных приложениях чаще используются линейные устройства.

 


Ⅵ Датчик на эффекте Холла Использование

Датчики на эффекте Холла питаются от магнитного поля, и во многих случаях один постоянный магнит, подключенный к движущемуся валу или устройству, может управлять устройством.Существует множество различных форм движений магнитного датчика, в том числе «Лицом к лицу», «Вбок», «Толкай-тяни» и «Толкай-толкай» и другие. Для обеспечения оптимальной чувствительности магнитные линии потока всегда должны быть перпендикулярны чувствительной области системы и иметь правильную полярность, независимо от конфигурации.

 

Магниты с высокой напряженностью поля со значительным изменением напряженности поля для необходимого движения также необходимы для обеспечения линейности. Существует несколько способов обнаружения магнитного поля, и две из наиболее распространенных конфигураций обнаружения с использованием одного магнита показаны ниже: Обнаружение лобового и бокового обнаружения — это два типа обнаружения.

 

6.1 Лобовое обнаружение

Магнитное поле должно быть перпендикулярно системе обнаружения на эффекте Холла и приближаться к датчику прямо к активной стороне для «лобового обнаружения», как следует из названия. В некотором смысле, это подход «спереди».

 

Этот прямой подход создает выходной сигнал VH, который в линейных устройствах отражает мощность магнитного поля или плотность магнитного потока в зависимости от расстояния от датчика Холла.Выходное напряжение увеличивается по мере приближения и, следовательно, усиления магнитного поля, и наоборот.

 

Положительные и отрицательные магнитные поля также можно различить линейными приборами. Для индикации позиционного обнаружения могут быть выполнены нелинейные устройства, которые запускают выход «ВКЛ» на предварительно установленном расстоянии воздушного зазора от магнита.

 

6.2 Обнаружение бокового движения

«Боковое обнаружение» — это вторая конфигурация обнаружения.Это требует перемещения магнита вбок по поверхности элемента с эффектом Холла. Например, подсчет вращающихся магнитов или измерение скорости вращения двигателей, обнаружение бокового или проскальзывания полезно для обнаружения наличия магнитного поля, когда оно проходит по поверхности элемента Холла в пределах фиксированного расстояния воздушного зазора.

 

Линейное выходное напряжение, представляющее как положительный, так и отрицательный выходной сигнал, может генерироваться в зависимости от направления магнитного поля, когда оно проходит через осевую линию датчика с нулевым полем.Это позволяет идентифицировать направленное движение как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

 

Датчики Холла

имеют широкий спектр применения, особенно в качестве датчиков приближения. Там, где к факторам окружающей среды относятся вода, вибрация, грязь или масло, например, в автомобилестроении, их можно использовать вместо оптических и световых датчиков. Текущее зондирование также может быть выполнено с помощью приборов на эффекте Холла.

Круговое электромагнитное поле формируется вокруг проводника, когда через него проходит ток, как мы узнали из предыдущих уроков.Электрические токи в диапазоне от нескольких миллиампер до тысяч ампер можно рассчитать по наведенному магнитному полю, поместив датчик Холла рядом с проводником без использования больших или дорогих трансформаторов и катушек.

 

Датчики Холла

можно использовать для обнаружения ферромагнитных материалов, таких как железо и сталь, в дополнение к обнаружению наличия или отсутствия магнитов и магнитных полей, путем размещения небольшого постоянного «смещающего» магнита за активной областью устройства.Любое смещение или нарушение этого магнитного поля, вызванное введением ферромагнитного материала, может быть обнаружено с чувствительностью всего лишь мВ/Гс.

 

В зависимости от типа устройства, цифрового или линейного, существует множество способов подключения датчиков Холла к электрическим и электронным схемам. Использование светоизлучающего диода, как показано ниже, является очень простым и легким в сборке примером.

 

Датчики Холла

можно использовать по-разному из-за различных магнитных движений.Как в промышленных, так и в домашних условиях эти инструменты чаще всего используются для измерения присутствия, положения и близости объектов.

 

Датчики тока, датчики давления и датчики расхода жидкости — все это популярные области применения датчиков Холла в промышленных и производственных процессах. В трансформаторах тока датчики на эффекте Холла представляют собой недорогой бесконтактный способ измерения постоянного магнитного потока.

 

 


Ⅶ Применение датчика Холла

7.1 Датчик Холла в вращающихся устройствах

Датчики скорости работают путем подсчета количества оборотов вала или диска за заданный промежуток времени. Диск, прикрепленный к валу двигателя, вращается рядом с датчиком Холла и имеет магниты по периметру.

 

Состояние датчика меняется по мере прохождения через него магнитов. На основе этих данных датчик рассчитывает обороты. Например, если диск или вал имеют четыре магнита, датчик может переключать состояния четыре раза за один оборот.

Это позволяет датчику измерять число оборотов на основе известного параметра, согласно которому на один оборот приходится четыре импульса.

 

Эта технология используется в бесщеточных двигателях постоянного тока для отслеживания скорости и определения положения вала. Это позволяет им работать в определенных диапазонах оборотов, но при этом позволяет им изменять скорость двигателя в любое время.

 

Это значительно упрощает управление двигателями. Это также позволяет им контролировать положение вала на двигателе, что делает их гораздо более гибкими в индустрии робототехники, чем двигатели без датчиков Холла.

 

7.2 Датчик Холла в приложениях для определения приближения

Датчики Холла на основе магнитного поля могут обнаруживать приближение. Если напряженность магнитного поля постоянна и определена, можно определить положение датчика по отношению к магниту.

 

Когда магнит перемещается в зону его действия, датчик меняет состояние и оповещает контроллер. Датчики приближения на эффекте Холла можно использовать по-разному. Они используются в роботизированных инструментах, роботизированных захватах, пневматике и множестве других нероботизированных приложений.

7.3 Бесконтактный датчик Холла Применение в робототехнике

Бесконтактный датчик Холла также может использоваться в робототехнике. Они хороши для определения силы магнитного поля и близости магнита. Датчики Холла могут использоваться для удовлетворения различных требований безопасности. Они часто используются в инструментах для обеспечения подтверждения зажима управляющему устройству.

 

Подтверждение зажима блокирует работу ячейки до тех пор, пока все секции не будут полностью зажаты, что обеспечивает безопасную работу.Магниты, встроенные в инструменты, которые попадают в диапазон чувствительности датчика Холла при правильном закреплении, обычно требуют подтверждения детали. Роботизированный контроллер или ПЛК знает, что ячейка безопасна для работы, когда все датчики отображают сигнал.

 

В робототехнической промышленности датчики Холла чрезвычайно полезны. Для обнаружения изменений в ячейке в большинстве роботизированных ячеек используется датчик Холла. Они используются для считывания скорости и положения бесщеточных двигателей постоянного тока. Они используются в пневматических цилиндрах, чтобы определить, выдвинут ли цилиндр или втянут.

 

Их также можно использовать для поддержания здоровья персонала, уведомляя контролирующий орган о подтверждении зажима инструмента. Без датчиков Холла индустрия робототехники будет совсем другой.

 

 


Ⅷ Как проверить датчики Холла

Датчики положения распределительного вала и коленчатого вала представляют собой датчики Холла, которые контролируют положение распределительного вала и коленчатого вала соответственно. Перед датчиком проходит небольшой магнит. Выходное напряжение увеличивается по мере приближения магнита к датчику.Напряжение падает по мере удаления магнита от датчика. Для оценки положения вала электронный блок управления отслеживает выходные сигналы этих датчиков. ECM может поддерживать точное управление двигателем благодаря датчикам положения распределительного и коленчатого валов, а также другим электрическим датчикам, соленоидам и форсункам. Понимание основ работы датчиков Холла поможет вам правильно протестировать сомнительный датчик.

 

• Шаг 1

Снимите датчик с блока цилиндров.Удалите масло, грязь или металлическую стружку с наконечника датчика.

 

• Шаг 2

Проверьте схему двигателя на предмет наличия сигнала датчика распредвала или коленчатого вала на ECM. Сигнальный провод от ECM должен быть удален. Подсоедините сигнальный провод к одному концу перемычки. Подсоедините другой конец перемычки к краю оптимистичного зонда. Подсоедините отрицательный щуп к устойчивому заземлению корпуса. Подключите отрицательный щуп к заземлению корпуса с помощью перемычки и зажимов типа «крокодил», если необходимо.

 

Чтобы проверить напряжение постоянного тока, переключите электрический вольтметр. Поверните ключевой переключатель в положение «Вкл.». В идеале напряжение должно быть около 0 вольт. Медленно вращайте магнит перпендикулярно передней части датчика. При приближении магнита к датчику напряжение должно возрастать, а по мере удаления — падать. Проблема с датчиком или соединениями датчика, если напряжение не меняется.

 


Ⅸ Часто задаваемые вопросы

1. Как работает датчик Холла?

Используя полупроводники (например, кремний), датчики Холла работают, измеряя изменяющееся напряжение, когда устройство помещается в магнитное поле.Другими словами, как только датчик Холла обнаруживает, что он находится в магнитном поле, он может определять положение объектов.

 

2. Что приводит в действие устройство на эффекте Холла?

Датчики на эффекте Холла

активируются магнитным полем, и во многих случаях устройство может управляться одним постоянным магнитом, прикрепленным к движущемуся валу или устройству. Существует множество различных типов движений магнита, таких как «лобовое», «боковое», «тяни-толкай» или «толкай-толкай» и т. д.

 

3. Для чего используется датчик Холла?

Датчики Холла

обычно используются для измерения скорости вращения колес и валов, например, для определения угла опережения зажигания двигателя внутреннего сгорания, тахометров и антиблокировочных тормозных систем. Они используются в бесщеточных электродвигателях постоянного тока для определения положения постоянного магнита.

 

4. В чем заключается принцип эффекта Холла?

Принцип эффекта Холла гласит, что когда проводник с током или полупроводник помещается в перпендикулярное магнитное поле, напряжение может быть измерено под прямым углом к ​​пути тока.

 

5. Насколько чувствителен датчик Холла?

Эти логометрические устройства имеют чувствительность 5 мВ/гаусс и 2,5 мВ/гаусс соответственно, диапазон рабочих температур от -40°C до +150°C и температурную компенсацию во всем рабочем диапазоне.

 

6. В чем разница между датчиком Холла и индуктивным датчиком?

Индуктивные датчики обнаруживают металлические объекты, а датчики Холла обнаруживают наличие магнитного поля.

 

7. Каково происхождение эффекта Холла?

История эффекта Холла начинается в 1879 году, когда Эдвин Х. Холл обнаружил, что небольшое поперечное напряжение возникает на тонкой металлической полоске с током в приложенном магнитном поле.

 

8. Как определить, что датчик Холла неисправен?

Потеря мощности, громкий шум и ощущение того, что двигатель каким-то образом заблокирован, часто являются признаками того, что либо контроллер вышел из строя, либо у вас могут быть проблемы с датчиками Холла внутри двигателя.

 

9. Что находится внутри датчика Холла?

Датчик на эффекте Холла представляет собой тонкую полоску полупроводникового материала, точно такую ​​же, как микросхема внутри микроустройства или устройства оперативной памяти. Он работает по принципу электромагнетизма. Когда вы перемещаете магнит достаточно близко к датчику, генерируется небольшое напряжение. Это идет к усилителю, который повышает напряжение до уровня, достаточного для использования другими электронными устройствами.

 

Лучшим примером является датчик скорости вращения колеса.Небольшой магнит прикреплен к внутренней части автомобильного колеса. Каждый раз, когда магнит проходит мимо датчика, происходит один оборот колеса. Информация передается на блок спидометра и одометра, где она отображается водителю.

 

10. Для чего нужен датчик Холла на автомобиле?

Датчик Холла работает за счет магнитного поля и может также называться датчиком положения кривошипа. Он проверяет положение коленчатого вала двигателя для зажигания свечей зажигания.В противном случае двигатель может заглохнуть и не запуститься без сигнала датчика Холла.

 

Датчики Холла

также можно использовать для определения скорости, расстояния или положения коленчатого вала двигателя и положения распределительного вала. Все датчики Холла имеют различную внутреннюю электронику с различными программными измерениями и не являются взаимозаменяемыми.

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производители Категория Описание
Произв.Номер детали: 34.3123 Сравните: Текущая часть Производитель: Schurter Категория: Предохранители Описание: Картриджные предохранители FST 5×20, 4 А, 250 В перем. тока, с задержкой срабатывания T, несбрасываемый предохранитель
ПроизводительНомер детали: 0034.3123 Сравните: 34.3123 VS 0034.3123 Производитель: Schurter Категория: Термовыключатели/выключатели/предохранители Описание: ШУРТЕР 0034.3123 Предохранитель, картридж, серия FST, 4 А, 250 В, 5 мм x 20 мм, 0,2 дюйма x 0,79 дюйма, 40 А
Изготовитель Деталь №:0034.3123.G Сравните: 34.3123 ВС 0034.3123.Г Производитель: Schurter Категория: Предохранители Описание: Миниатюрный предохранитель 4A 250V Slow Blow 2Pin Держатель картриджа Bulk
ПроизводительДеталь №: 312-3 Сравните: 34.3123 ВС 312-3 Производитель: Schurter Категория: Описание: Электрический предохранитель,
Руководство по эффекту Холла

— MagneLink, Inc.

Морин ВанДайк |

Более 100 лет назад был открыт эффект Холла. Однако только в последние три десятилетия было разработано практическое использование этого эффекта. Некоторые из его первых применений включают использование в микроволновых датчиках в 1950-х годах и твердотельных клавиатурах в 1960-х годах. С 1970-х годов датчики на эффекте Холла нашли свое применение в широком спектре промышленных и потребительских товаров, таких как швейные машины, автомобили, станки, медицинское оборудование и компьютеры.

Прежде чем приступить к изучению пяти основных промышленных применений датчиков Холла, необходимо определить их, их функции и их различные классификации.

Что такое эффект Холла?

В 1879 году физик Эдвин Холл открыл влияние магнитных полей на полупроводники с однонаправленным током. Когда проводник и поле взаимодействуют перпендикулярно, измерение напряжения под прямым углом к ​​движению тока позже стало известно как эффект Холла.

Чтобы визуализировать этот эффект, представьте, что ток в проводнике течет по трубе. Магнитное поле будет толкать или притягивать воду к одной стороне трубы. Если представить воду и трубу как электричество по проводу, можно увидеть эффект Холла в действии. Частицы в токе и магнитном поле поддаются измерению.

В полупроводниковой промышленности эффект Холла позволил людям определить, переносится ли ток через материал положительными частицами (как в случае с полупроводниками) или отрицательными частицами (как в случае с металлами).В результате ученые классифицировали химические вещества, разработали усовершенствованные полупроводниковые материалы и измерили магнитные поля в различных средах.

Сегодня устройства на эффекте Холла обычно используются для измерения магнитных полей, наблюдая за их влиянием на известный ток. Поскольку магнитное поле может изменить течение однонаправленного тока, одна сторона провода будет иметь больший отрицательный заряд, чем другая сторона, и это изменение приведет к измеримому напряжению. Напряжение увеличивается пропорционально силе поля.

Применение эффекта Холла

Эффект Холла может применяться в научных исследованиях, на промышленных предприятиях, в коммерческих предприятиях, в автомобильной промышленности и т. д. Датчики Холла могут измерять напряжение, ток и магнитные поля при производстве, проверке и тестировании. Это некоторые из наиболее распространенных применений эффекта Холла.

Магнитометры

Магнитометры или датчики Холла измеряют напряженность магнитных полей, часто для постоянных магнитов при оценке инженерных проектов.Их также можно использовать для обнаружения утечки магнитного потока в трубах и резервуарах для хранения.

Обнаружение магнитного поля

Датчики магнитного поля и оборудование для обнаружения могут обнаруживать наличие магнитных полей и определять их величину. Как только поля обнаружены, триггер может передавать сигналы и данные или переключать питание на цепь.

Измерение и измерение тока и напряжения

Датчики

используют эффект Холла для обнаружения или измерения постоянных токов. Устройство Холла может обнаруживать наличие магнитного поля.В некоторых случаях прибор Холла может измерять напряжение и определять ток, отображая его в виде читаемого сигнала.

Определение положения и движения

В случае обнаружения магнитного поля эта функция широко используется в промышленном и коммерческом оборудовании и машинах. Преимущество датчика Холла состоит в отсутствии механически движущихся компонентов при обнаружении наличия магнитного поля. Они обычно используются в качестве концевых выключателей.

Сложные машины и транспортные средства также выигрывают от эффекта Холла.Когда они обнаруживают колебания напряжения, эти датчики передают сигналы, которые могут быть реализованы в тахометрах, антиблокировочных тормозных системах транспортных средств и погрузочно-разгрузочных агрегатах.

Момент зажигания

Способность эффекта Холла обнаруживать или контролировать движение имеет решающее значение для правильного опережения зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Момент зажигания — это точный выброс искры в камеру сгорания в зависимости от положения поршня и соответствующего угла поворота коленчатого вала.

Что такое датчик Холла?

Датчики Холла

— это магнитные компоненты, которые преобразуют закодированную магнитным полем информацию, такую ​​как положение, расстояние и скорость, чтобы электронные схемы могли ее обрабатывать. Как правило, они классифицируются на основе их способа производства или средств работы.

Выходные классификации

Разделение датчиков Холла по выходному напряжению приводит к двум классификациям датчиков: цифровые датчики и аналоговые датчики.

Датчики Холла с цифровым выходом
Датчики Холла с цифровым выходом

в основном используются в магнитных переключателях для обеспечения цифрового выхода по напряжению. Таким образом, они подают в систему входной сигнал ВКЛ или ВЫКЛ.

Основным отличием датчика Холла с цифровым выходом является способ управления выходным напряжением. Вместо источника питания, обеспечивающего пределы насыщения, датчики с цифровым выходом имеют триггер Шмидта со встроенным гистерезисом, подключенный к операционному усилителю.Этот переключатель выключает выход датчика всякий раз, когда магнитный поток превышает предварительно установленные пределы, и снова включает его, когда поток стабилизируется.

Датчики Холла с аналоговым (или линейным) выходом

Датчик аналогового типа обеспечивает постоянное выходное напряжение, которое увеличивается, когда магнитное поле сильнее, и уменьшается, когда оно слабее. Таким образом, выходное напряжение или усиление аналогового датчика Холла прямо пропорционально интенсивности проходящего через него магнитного потока.

Классификация операций

Помимо классификации по выходу, датчики Холла можно разделить на категории в зависимости от способа работы, в том числе:

Биполярные датчики Холла

Это тип цифрового датчика, работающего как с положительным, так и с отрицательным магнитным полем.Либо положительное, либо отрицательное магнитное поле магнита активирует датчик. В этой конфигурации переключатель, использующий биполярный датчик Холла, срабатывает почти так же, как традиционный герконовый переключатель. Однако переключатель на эффекте Холла имеет дополнительное преимущество, заключающееся в отсутствии механических контактов, что делает его более надежным в суровых условиях.

Униполярные датчики Холла

В отличие от биполярного датчика, этот тип цифрового датчика срабатывает только от одного полюса (северного или южного) магнита.Использование униполярного датчика Холла в переключателе позволяет сделать настройку более конкретной и активировать его только при воздействии на определенный магнитный полюс.

Датчики прямого угла и вертикального угла Холла

Более совершенные датчики на эффекте Холла фокусируются на компонентах магнитного поля, отличных от полюсов. Например, датчики прямого угла измеряют значения синуса и косинуса магнитного поля, а датчики вертикального угла анализируют компоненты магнитного поля, параллельные, а не перпендикулярные плоскости чипа.

Пять основных областей применения датчиков Холла

Датчики Холла

находят широкое применение в пяти основных отраслях промышленности, а именно:

Автомобили и автомобильная безопасность

Автомобильная промышленность и индустрия безопасности автомобилей используют как цифровые, так и аналоговые датчики на эффекте Холла в различных приложениях.

Примеры применения цифровых датчиков Холла в автомобильной промышленности:

  • Датчик положения сиденья и ремня безопасности для управления подушкой безопасности
  • Определение углового положения коленчатого вала для регулировки угла зажигания свечей зажигания

Некоторые примеры использования датчиков аналогового типа включают:

  • Мониторинг и контроль скорости вращения колес в антиблокировочных тормозных системах (ABS)
  • Регулирование напряжения в электрических системах

Бытовая техника и товары народного потребления

Производители бытовой техники и товаров народного потребления интегрируют различные типы датчиков Холла в различные конструкции изделий.Например:

  • Цифровые униполярные датчики помогают стиральным машинам сохранять баланс во время стирки.
  • Аналоговые датчики служат в качестве датчиков наличия источников питания, индикаторов управления двигателем и отключений на электроинструментах, а также датчиков подачи бумаги в копировальных машинах.

Мониторинг жидкости

Цифровые датчики Холла

обычно используются для контроля скорости потока и положения клапана в производстве, водоснабжении и очистке, а также в нефтегазовых операциях.В приложениях для мониторинга жидкости аналоговые датчики на эффекте Холла также используются для определения уровней давления на мембране в мембранных манометрах.

Автоматизация зданий

При автоматизации зданий подрядчики и субподрядчики интегрируют как цифровые, так и аналоговые датчики Холла.

Цифровые датчики приближения часто используются в конструкции:

  • Механизм автоматического смыва туалета
  • Автоматические мойки
  • Автоматические сушилки для рук
  • Системы безопасности зданий и дверей
  • Лифты

Аналоговые датчики используются для:

  • Освещение с датчиком движения
  • Камеры с датчиком движения

Персональная электроника

Это еще одна область, в которой популярность как аналоговых, так и цифровых датчиков Холла продолжает расти.

Применение цифровых датчиков включает:

  • Устройства управления двигателем
  • Механизмы синхронизации в фотооборудовании

Применение аналоговых датчиков включает:

  • Дисководы
  • Защита блока питания

Свяжитесь с MagneLink сегодня

Как указывалось выше, датчики на эффекте Холла — как аналоговые, так и цифровые — находят применение в широком спектре устройств, оборудования и систем в различных отраслях промышленности.

В компании MagneLink мы разрабатываем и производим высококачественные магнитные переключатели, в том числе переключатели, в которых используются датчики Холла. Чтобы узнать больше о наших переключателях Холла и их применении, свяжитесь с нами сегодня.


11.7: Эффект Холла — Физика LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните сценарий, в котором магнитное и электрическое поля пересекаются и их силы уравновешивают друг друга, когда заряженная частица движется через переключатель скорости
  • Сравните движение носителей заряда в проводящем материале и объясните, как это связано с эффектом Холла

В 1879 году Э.Г. Холл разработал эксперимент, который можно использовать для определения знака преобладающих носителей заряда в проводящем материале. С исторической точки зрения этот эксперимент был первым, кто продемонстрировал, что носители заряда в большинстве металлов отрицательны.

Посетите этот веб-сайт, чтобы найти дополнительную информацию об эффекте Холла.

Мы исследуем эффект Холла путем изучения движения свободных электронов вдоль металлической полосы шириной l в постоянном магнитном поле (рис. \(\PageIndex{1}\)).Электроны движутся слева направо, поэтому магнитная сила, которую они испытывают, толкает их к нижнему краю полоски. Это оставляет избыток положительного заряда на верхнем краю полоски, в результате чего электрическое поле E направлено сверху вниз. Концентрация заряда на обоих краях увеличивается до тех пор, пока электрическая сила, действующая на электроны в одном направлении, не уравновесится магнитной силой, действующей на них в противоположном направлении. Равновесие достигается, когда:

\[eE = ev_d B \label{11.24}\]

, где e — величина заряда электрона, \(v_d) — дрейфовая скорость электронов, а E — величина электрического поля, создаваемого отделенным зарядом. Решение этого для скорости дрейфа дает

\[v_d = \frac{E}{B}. \метка{11.25}\]

Рисунок \(\PageIndex{1}\): В эффекте Холла возникает разность потенциалов между верхним и нижним краями металлической полосы, когда движущиеся носители заряда отклоняются магнитным полем.а) эффект Холла для отрицательных носителей заряда; (б) Эффект Холла для положительных носителей заряда.

Сценарий, в котором электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу, называется ситуацией со скрещенными полями. Если эти поля воздействуют на заряженную частицу равными и противоположными силами со скоростью, равной силам, эти частицы могут пройти через устройство, называемое селектором скорости , без отклонения. Эта скорость представлена ​​в уравнении \ref{11.26}. Любая другая скорость заряженной частицы, посланной в те же поля, будет отклонена магнитной или электрической силой.

Возвращаясь к эффекту Холла, если ток в полосе равен I , то из тока и сопротивления мы знаем, что

\[I = nev_dA \label{11.26}\]

, где n — количество носителей заряда в объеме, а A — площадь поперечного сечения полосы. Объединение уравнений для \(v_d\) и I приводит к

\[I = ne\left(\frac{E}{B}\right)A. \метка{11.27}\]

Поле E связано с разностью потенциалов V между краями полосы на

\[E = \frac{V}{l}.\метка{11.28}\]

Величина \(V\) называется потенциалом Холла и может быть измерена вольтметром. Наконец, объединение уравнений для I и E дает нам

\[V = \dfrac{IBl}{neA} \label{hallV}\]

, где верхний край полосы на рисунке \(\PageIndex{1}\) положителен по отношению к нижнему краю.

Мы также можем объединить уравнение \ref{11.24} и уравнение \ref{11.28}, чтобы получить выражение для напряжения Холла через магнитное поле:

\[V = Blv_d.\]

Что делать, если носители заряда положительны, как показано на рисунке \(\PageIndex{1}\)? Для того же тока I величина V по-прежнему определяется уравнением \ref{hallV}. Однако верхний край теперь отрицателен по отношению к нижнему краю. Поэтому, просто измерив знак V , мы можем определить знак большинства носителей заряда в металле.

Измерения потенциала Холла показывают, что электроны являются доминирующими носителями заряда в большинстве металлов.Однако потенциалы Холла показывают, что для некоторых металлов, таких как вольфрам, бериллий и многие полупроводники, большинство носителей заряда положительны. Оказывается, проводимость за счет положительного заряда вызвана миграцией недостающих электронных узлов (называемых дырками) на ионах. Проводимость через дырки изучается позже в физике конденсированного состояния.

Эффект Холла можно использовать для измерения магнитных полей. Если материал с известной плотностью носителей заряда n поместить в магнитное поле и измерить В , то поле можно определить по уравнению \ref{11.3 \, N/C\) соответственно. а) Какова должна быть скорость электронного луча, чтобы он прошел через скрещенные поля без отклонения? Если электрическое поле выключено, (б) каково ускорение электронного луча и (в) каков радиус кругового движения в результате?

Стратегия

Электронный пучок не отклоняется ни магнитным, ни электрическим полем, если эти силы уравновешены. На основе этих уравновешенных сил мы вычисляем скорость луча.{-3} м.\]

Значение

Если бы скорость электронов в пучке была выше или ниже скорости ответа в части (а), эти электроны имели бы более сильную результирующую силу, создаваемую либо магнитным, либо электрическим полем. Следовательно, только те электроны с этой конкретной скоростью смогут пройти.

Потенциал Холла в серебряной ленте

На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана серебряная лента с поперечным сечением 1,0 см на 0,20 см. По ленте течет ток 100 А слева направо, и она находится в однородном магнитном поле магнитудой 1.{28}\) электронов на кубический метр для серебра, найти потенциал Холла между краями ленты.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Показано нахождение потенциала Холла в серебряной ленте в магнитном поле.

Стратегия

Поскольку большинство носителей заряда представляют собой электроны, полярность напряжения Холла указана на рисунке. Значение напряжения Холла рассчитывается с использованием уравнения \ref{hallV}.

Раствор

При расчете напряжения Холла нам необходимо знать ток через материал, магнитное поле, длину, количество носителей заряда и площадь.{28}\) электронов на кубический метр шириной 2,0 см и толщиной 0,10 см. Чему равно магнитное поле, если I = 50 А и потенциал Холла равен

  1. \(4.0\, \мкВ\) и
  2. \(6,0 \, \мкВ\)?
Ответить на

1,1 Т

Ответ б

1,6 т

Что такое эффект Холла? – Блог Digilent

Добро пожаловать в блог Digilent!

Роботы, которые бегают на моторах, довольно милые.Эти двигатели традиционно представляют собой двигатели постоянного тока, которые управляются с помощью H-моста, который может изменять поток тока, чтобы двигатель мог вращаться вперед или назад. Модули Н-моста, такие как Digilent PmodHB3 или PmodHB5, также обычно имеют два контакта, помеченных как датчик A и датчик B, которые измеряют направление вращения двигателя. Два датчика, A и B, будут подключены к выходам компонентов, известных как датчики на эффекте Холла. Неудивительно, что они измеряют эффект Холла.Но вместо того, чтобы решать проблему «слова в определении», давайте изучим некоторые практические детали.

Положительные и отрицательные носители заряда отталкиваются по обе стороны от пластины. Изображение с сайта electronics-tutorials.ws.

Вообще говоря, когда ток проходит через компонент, такой как кусок металла, он будет проходить по пути наименьшего сопротивления. Как правило, этот путь наименьшего сопротивления будет кратчайшим и относительно прямым путем от стороны высокого напряжения компонента к стороне низкого напряжения.Однако, если магнитное поле расположено перпендикулярно прямолинейному пути тока, протекающего через полупроводник, носители заряда в токе испытывают так называемую силу Лоренца. Эта сила заставляет заряженные частицы двигаться к одной или другой стороне полупроводника, в зависимости от того, заряжены ли они положительно или отрицательно.

Два датчика Холла расположены под углом 90 градусов друг к другу.

Это разделение зарядов и результирующая разность напряжений известны как эффект Холла.Полученное напряжение затем можно подать на транзистор или системную плату, чтобы указать, насколько силен эффект Холла в этом конкретном полупроводнике. Итак, как это относится к двигателям постоянного тока? Если наш двигатель постоянного тока имеет постоянный магнит в небольшой секции снаружи двигателя, мы можем разместить два датчика Холла в квадратуре к двигателю. Проще говоря, это означает, что если смотреть на верхнюю часть вращающегося двигателя, два датчика Холла расположены под углом 90° друг к другу. Таким образом, магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, будет воздействовать только на датчик Холла, который находится непосредственно перед ним, и не будет воздействовать на тот, который перпендикулярен (на расстоянии 90 градусов) к нему.С помощью этой конфигурации можно определить, в какую сторону вращается двигатель, исходя из того, какой датчик выдает напряжение первым в течение заданного периода времени. Вы также можете определить, насколько быстро вращается ваш двигатель, основываясь на разнице во времени между максимальным значением конкретного датчика и шириной вашего двигателя.

Датчик на эффекте Холла испытывает перепад напряжения, когда магнит приближается к нему. Изображение из Википедии.

Не стесняйтесь оставлять комментарии, если у вас есть какие-либо вопросы!

22.6. Эффект Холла — Колледж физики

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. 22.27 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 εε размером 12{ε} {} , известное как ЭДС Холла, , на проводнике . Создание напряжения на проводнике с током под действием магнитного поля известно как эффект Холла в честь Эдвина Холла, американского физика, открывшего его в 1879 году.

Фигура 22.27 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 воздействует на движущиеся заряды, вызывая напряжение εε, ЭДС Холла, на проводнике. (b) Положительные заряды, движущиеся вправо (обычный ток также вправо), смещаются в сторону, создавая ЭДС Холла противоположного знака, –ε–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 положительные или отрицательные заряды ток. Обратите внимание, что на рис. 22.27 (б), 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 году было обнаружено, что эффект Холла квантуется, что является примером квантового поведения в макроскопическом объекте.

Эффект Холла имеет и другие применения, от определения скорости кровотока до точного измерения напряженности магнитного поля. Чтобы исследовать их количественно, нам нужно выражение для ЭДС Холла, εε размер 12{ε} {}, на проводнике. Рассмотрим баланс сил на движущийся заряд в ситуации, когда BB размера 12{B} {}, vv размера 12{v} {} и ll размера 12{l} {} взаимно перпендикулярны, как показано на рисунке 22. .28. Хотя магнитная сила смещает отрицательные заряды в одну сторону, они не могут накапливаться без ограничений. Электрическое поле, вызванное их разделением, противодействует магнитной силе F=qvBF=qvB size 12{F= ital «qvB»} {} и электрической силе Fe=qEFe=qE size 12{F rSub { size 8{e } } = ital «qE»} {}, со временем становится равным ему. То есть

qE=qvBqE=qvB size 12{ ital «qE»= ital «qvB»} {}

22.10

или

E=vB.E=vB. размер 12{E= ital «vB»} {}

22.11

Обратите внимание, что электрическое поле EE размером 12{E} {} является однородным по проводнику, потому что магнитное поле BB размером 12{B} {} является однородным, как и проводник.Для однородного электрического поля соотношение между электрическим полем и напряжением имеет вид E=ε/lE=ε/l размер 12{E=ε/l} {}, где ll размер 12{l} {} — ширина проводника εε size 12{ε} {} — ЭДС Холла. Ввод этого в последнее выражение дает

εl=vB.εl=vB. size 12{ {{ε} над {l} } = ital «vB» «.» } {}

22.12

Решение этой задачи для ЭДС Холла дает

ε=Blv(B,v,andl,взаимно перпендикулярно),ε=Blv(B,v,andl,взаимно перпендикулярно), size 12{ε= ital «Blv»«` \( B,`v,`»и «`l,`»взаимно перпендикулярно» \) ,} {}

22.13

где εε размер 12{ε} {} — напряжение эффекта Холла на проводнике шириной ll размера 12{l} {}, по которому движутся заряды со скоростью vv размера 12{v} {}.

Фигура 22.28 ЭДС Холла εε размером 12{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 BB размером 12{B}{}. Такие устройства, называемые датчиками Холла , можно сделать очень маленькими, что позволит 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. 22.29.) Магнитное поле, приложенное перпендикулярно направлению потока, создает ЭДС Холла εε размером 12{ε} {}, как показано.Заметим, что знак εε размера 12{ε} {} зависит не от знака зарядов, а только от направлений BB размера 12{B} {} и vv размера 12{v} {}. Величина ЭДС Холла равна ε=Blvε=Blv размер 12{ε= ital «Blv»} {}, где ll размер 12{l} {} — диаметр трубы, так что средняя скорость vv размер 12{v} {} можно определить по размеру εε 12{ε} {} при условии, что известны другие факторы.

Фигура 22.29 Эффект Холла можно использовать для измерения потока жидкости в любой жидкости, имеющей свободные заряды, например в крови.ЭДС Холла εε size 12{ε} {} измеряется поперек трубки перпендикулярно приложенному магнитному полю и пропорциональна средней скорости vv size 12{v} {}.

Пример 22,3

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 той, что показана на рис. 22.29. Чему равна ЭДС Холла, если внутренний диаметр сосуда равен 4,00 мм, а средняя скорость кровотока равна 20.0 см/с?

Стратегия

Поскольку BB размера 12{B} {}, vv размера 12{v} {} и ll размера 12{l} {} взаимно перпендикулярны, уравнение ε=Blvε=Blv размера 12{ε= ital «Blv»} {} можно использовать для нахождения размера εε 12{ε} {}.

Решение

Ввод заданных значений для BB размера 12{B} {}, vv размера 12{v} {} и ll размера 12{l} {} дает

ε=Blv=0,100 T4,00×10−3m0. 200 м/с=80,0 мкВε=Blv=0,100 T4,00×10−3 м0,200 м/с=80,0 мкValignl { stack { размер 12{ε= ital «Blv»= левый (0 «.»»100″`T вправо ) влево (4 «.» «00» умножить на «10» rSup {размер 8{ — 3} } `m вправо ) влево (0 «.» «200»`»м/с» вправо )} {} # =»80″ «.» 0`»мкВ» {} } } {}

22.14

Обсуждение

Это среднее выходное напряжение. Мгновенное напряжение изменяется при пульсирующем токе крови. Напряжение в этом типе измерения мало. Размер εε 12{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.

Эффект Холла – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните сценарий, в котором магнитное и электрическое поля пересекаются и их силы уравновешивают друг друга, когда заряженная частица движется через переключатель скорости
  • Сравните движение носителей заряда в проводящем материале и объясните, как это связано с эффектом Холла

В 1879 году Э.Г. Холл разработал эксперимент, который можно использовать для определения знака преобладающих носителей заряда в проводящем материале. С исторической точки зрения этот эксперимент был первым, кто продемонстрировал, что носители заряда в большинстве металлов отрицательны.

Мы исследуем эффект Холла, изучая движение свободных электронов по металлической полосе шириной l в постоянном магнитном поле ((рисунок)). Электроны движутся слева направо, поэтому магнитная сила, которую они испытывают, толкает их к нижнему краю полоски.Это оставляет избыток положительного заряда на верхнем краю полоски, что приводит к возникновению электрического поля E , направленного сверху вниз. Концентрация заряда на обоих краях увеличивается до тех пор, пока электрическая сила, действующая на электроны в одном направлении, не уравновесится магнитной силой, действующей на них в противоположном направлении. Равновесие достигается, когда:

, где е — величина заряда электрона, скорость дрейфа электронов, а е — величина электрического поля, создаваемого отделенным зарядом.Решение этого для скорости дрейфа дает

В эффекте Холла возникает разность потенциалов между верхним и нижним краями металлической полосы, когда движущиеся носители заряда отклоняются магнитным полем. а) эффект Холла для отрицательных носителей заряда; (б) Эффект Холла для положительных носителей заряда.

Сценарий, в котором электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу, называется ситуацией со скрещенными полями. Если эти поля воздействуют на заряженную частицу равными и противоположными силами со скоростью, равной силам, эти частицы могут пройти через устройство, называемое селектором скорости, без отклонения.Эта скорость представлена ​​на (рис.). Любая другая скорость заряженной частицы, посланной в те же поля, будет отклонена магнитной или электрической силой.

Возвращаясь к эффекту Холла, если ток в полосе равен I , то из тока и сопротивления мы знаем, что

, где n — количество носителей заряда в объеме, а A — площадь поперечного сечения полосы. Объединение уравнений для и I приводит к

Поле E связано с разностью потенциалов V между краями полосы на

Величина В называется потенциалом Холла и может быть измерена вольтметром.Наконец, объединение уравнений для I и E дает нам

, где верхний край полосы на (рис.) положителен по отношению к нижнему краю.

Мы также можем объединить (Рисунок) и (Рисунок), чтобы получить выражение для напряжения Холла через магнитное поле:

Что, если носители заряда положительны, как на (рис.)? Для того же тока I величина V по-прежнему определяется выражением (рисунок). Однако верхний край теперь отрицателен по отношению к нижнему краю.Поэтому, просто измерив знак В , мы можем определить знак основных носителей заряда в металле.

Измерения потенциала Холла показывают, что электроны являются доминирующими носителями заряда в большинстве металлов. Однако потенциалы Холла показывают, что для некоторых металлов, таких как вольфрам, бериллий и многие полупроводники, большинство носителей заряда положительны. Оказывается, проводимость за счет положительного заряда вызвана миграцией недостающих электронных узлов (называемых дырками) на ионах.Проводимость через дырки изучается позже в физике конденсированного состояния.

Эффект Холла можно использовать для измерения магнитных полей. Если материал с известной плотностью носителей заряда n поместить в магнитное поле и измерить V , то поле можно определить из (рис.). В исследовательских лабораториях, где поля электромагнитов, используемых для точных измерений, должны быть чрезвычайно устойчивыми, «зонд Холла» обычно используется как часть электронной схемы, которая регулирует поле.

Селектор скорости Электронный пучок входит в селектор скорости со скрещенными полями с магнитным и электрическим полями 2,0 мТл и соответственно. а) Какова должна быть скорость электронного луча, чтобы он прошел через скрещенные поля без отклонения? Если электрическое поле выключено, (б) каково ускорение электронного луча и (в) каков радиус кругового движения в результате?

Стратегия Электронный луч не отклоняется ни магнитным, ни электрическим полями, если эти силы уравновешены.На основе этих уравновешенных сил мы вычисляем скорость луча. Без электрического поля во втором законе Ньютона для нахождения ускорения используется только магнитная сила. Наконец, радиус пути основан на результирующем круговом движении под действием магнитной силы.

Решение

  1. Скорость невозмущенного пучка электронов со скрещенными полями рассчитывается по формуле (рисунок):
  2. Ускорение рассчитывается как результирующая сила магнитного поля, равная массе, умноженной на ускорение.Величина ускорения:
  3. Радиус траектории определяется балансом круговой и магнитной сил, или (Рисунок):

Значение Если бы скорость электронов в пучке была больше или меньше скорости, указанной в ответе в части (а), эти электроны имели бы более сильную результирующую силу, создаваемую либо магнитным, либо электрическим полем. Следовательно, только те электроны с этой конкретной скоростью смогут пройти.

Потенциал Холла в серебряной ленте (рисунок) показывает серебряную ленту, поперечное сечение которой равно 1.0 см на 0,20 см. По ленте слева направо протекает ток силой 100 А, и она находится в однородном магнитном поле величиной 1,5 Тл. Используя значение плотности электронов на кубический метр для серебра, найти потенциал Холла между краями ленты.

Показано нахождение потенциала Холла в серебряной ленте в магнитном поле.

Стратегия Поскольку большинство носителей заряда представляют собой электроны, полярность напряжения Холла указана на рисунке.Значение напряжения Холла рассчитывается с использованием (рисунок):

Решение При расчете напряжения Холла нам необходимо знать ток через материал, магнитное поле, длину, количество носителей заряда и площадь. Поскольку все они даны, напряжение Холла рассчитывается как:

Значимость Как и в этом примере, потенциал Холла, как правило, очень мал, и для его измерения требуются тщательные эксперименты с чувствительным оборудованием.

Проверьте свое понимание Зонд Холла состоит из медной полоски, количество электронов на кубический метр равно 2.0 см в ширину и 0,10 см в толщину. Чему равно магнитное поле, если I = 50 А и потенциал Холла равен (а) и (б)

Резюме

  • Перпендикулярные электрические и магнитные поля создают равные и противоположные силы для определенной скорости входящих частиц, тем самым действуя как селектор скорости. Скорость, которая проходит через неотклоняемый элемент, рассчитывается как
  • Эффект Холла можно использовать для измерения знака большинства носителей заряда для металлов.Его также можно использовать для измерения магнитного поля.

Концептуальные вопросы

Потенциалы Холла у плохих проводников намного больше, чем у хороших проводников. Почему?

Плохие проводники имеют более низкую плотность носителей заряда, n , что, исходя из формулы эффекта Холла, связано с более высоким потенциалом Холла. Хорошие проводники имеют более высокую плотность носителей заряда, следовательно, более низкий потенциал Холла.

Глоссарий

Эффект Холла
создание напряжения на проводнике с током магнитным полем
переключатель скорости
аппарат, в котором скрещенные электрические и магнитные поля создают равные и противоположные силы на заряженную частицу, движущуюся с определенной скоростью; эта частица движется через селектор скорости, не подвергаясь влиянию ни одного поля, в то время как частицы, движущиеся с разными скоростями, отклоняются аппаратом
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.