Что такое эффект холла

Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности

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

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

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

В нашем воображаемом случае электрический ток будет двигаться по направлению к нам, то есть в нашу сторону, откуда мы наблюдаем. Справа и слева от пластины мы видим два магнита.

Магнит справа обращен к пластине северным полюсом, а тот что слева обращен к пластине южным полюсом. Таким образом, в нашем случае силовые линии магнитного поля идут справа налево, поскольку всегда выходят из северного полюса и входят в южный.

Силовые линии будут отклонять электроны, проходящие по пластине к ее верхней кромке.

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

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

UХолл=−IB/et

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

Аномальный ЭХ

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

Квантовый ЭХ

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

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

Спиновый ЭХ

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

Применения

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

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

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

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/effekt-kholla/

Устройство автомобилей



Современные автомобильные двигатели оснащаются автоматическими средствами управления системой питания и зажигания, использующими информацию, поступающую от многочисленных датчиков для корректировки начала и продолжительности подачи топлива, и (в системах с принудительным воспламенением) времени подачи искры в цилиндры.

К таким датчикам, позволяющим точно определять моменты подачи в цилиндры двигателя очередной порции топлива и искры, относятся датчики фаз и датчики положения коленчатого вала, использующие в своей работе эффект, открытый почти полтора века назад американским физиком Эдвином Гербертом Холлом (Edwin Herbert Hall, 1855-1938), который так и называют — эффект Холла.

В чем же заключается эффект Холла? Суть этого явления достаточно проста для понимания любому современному школьнику, знакомому с природой электричества и магнетизма. Но в далеком 1879 году, когда Э. Холл сделал свое открытие, оно, конечно же, открыло научному миру глаза на многие явления в окружающем мире.

Эдвин Холл взял тонкую прямоугольную золотую пластинку (рис. 1), разместил ее в постоянном магнитном поле, и пропустил через нее ток, подсоединив противоположные грани пластинки (на рисунке 1 — грани С и D) к источнику постоянного тока.

В результате скрупулезных замеров он установил, что между боковыми гранями пластины (грани А и В) возникла разность потенциалов, т. е. напряжение.

Конечно же, это напряжение было ничтожно мало, но факт оставался фактом — в металле возникла поперечная ЭДС, которая «согнала» часть заряженных частиц к одной из боковых граней.

Природу этого явления современная физика объясняет так.
Когда заряженные частицы, перемещаясь по проводнику (любому, не обязательно золотой пластине), проходят через магнитное поле, на них действуют силы, описанные голландцем Х. Лоренцем (спустя десять лет после открытия Э.

Холла), и частицы отклоняются от прямолинейной траектории. Т. е.

если проводник с током разместить в магнитном поле, перпендикулярном к траектории движения заряженных частиц (электронов, ионов), они отклонятся от прямолинейной траектории, и одна сторона проводника станет отрицательной, а другая, соответственно, положительной.

Практическое применение обнаруженного Э. Холлом явления было осуществлено лишь спустя десятки лет. Разность потенциалов, возникающая между гранями токонесущего проводника была очень мала, и долгое время удивительный эффект оставался лишь объектом лабораторных исследований.

Так, например, было установлено, что различные материалы, использовавшиеся в экспериментах в качестве проводника тока, образуют на гранях разность потенциалов, свойственную лишь данному материалу, что позволяет, таким образом, идентифицировать любое вещество с помощью нехитрого способа.

Впоследствии, когда появились различные усилители напряжения, сначала ламповые, а затем полупроводниковые, эффект, открытый Холлом получил достойное и достаточно широкое применение во многих областях машиностроения, в том числе и в автомобильной промышленности.

Подлинный триумф эффекта Холла совпал с широким применением компьютерных устройств, способных выполнять команды в виде электрических сигналов значительно быстрее, чем это делали механические устройства. Именно с этого времени датчики Холла произвели настоящую революцию в сложной технике, используемой человеком для практических нужд.

Компактные и простые в изготовлении устройства позволили заменить громоздкие и ненадежные механизмы во многих машинах.



Как же работают датчики, использующие эффект Холла для формирования сигналов, поступающих в управляющие устройства систем двигателя? На автомобильных двигателях такие датчики устанавливают для слежения за положением распределительного вала ГРМ (датчик фаз) и положением коленчатого вала (датчик положения коленчатого вала). Оба датчика помогают бортовому компьютеру автомобиля (СБУ) понять, в каком положении находятся поршни и клапана двигателя, и на основании этого «принимать решение» о времени подачи топлива и искры в цилиндр.

Датчики состоят из электромагнитной катушки, в которой расположен магнитопровод в виде полупроводниковой или металлической пластины из специальных сплавов.

В катушку подается постоянный ток из бортовой сети автомобиля, и вокруг нее образуется постоянное магнитное поле, которое индуцирует в пластине ЭДС Холла, создавая некоторую разность потенциалов между ее противоположными гранями.

Если к такому датчику поднести кусок магнитопроводящего металла, то в результате возмущения магнитного потока напряженность поля изменится, что сразу же отразится на разности потенциалов между гранями пластины, создав импульс тока и напряжения.

Вот, собственно, и вся премудрость. Пример такого датчика положения коленчатого вала изображен на рисунке 2, б.

Размещаем наш датчик с катушкой и магнитопроводом где-нибудь в районе распределительного или коленчатого вала, а к валу прикрепим специальную металлическую пластину в виде диска с прорезями, окошками или какими-либо другими метками, которые при прохождении мимо датчика вызовут возмущение магнитного потока и разности потенциалов.
Остается лишь согласовать метки на таких инициирующих импульс пластинах с моментом, когда необходимо дать компьютеру сигнал о нахождении вала (коленчатого или распределительного) в определенном положении.

Использование этих простых устройств позволило полностью отказаться от такого сложного узла в системе зажигания, как прерыватель. Как известно, слабым местом любого механизма является наличие подвижных деталей и соединений, которые имеют предрасположенность к износу и отказам.

Особенно много хлопот автомобилистам доставляли контактные системы, управляющие катушкой зажигания посредством смыкания и размыкания двух электрических контактов. Контакты постоянно подгорали, зазор между ними нуждался в регулировке, и система часто давала сбой в работе.

Впоследствии на смену таким прерывателям пришли усовершенствованные устройства, использующие эффект Холла в виде размещенной в корпусе такого прерывателя катушки, закрытой металлической (магнитопроводящей) чашкой с боковыми прорезями.

Инициирующий элемент (металлическая скоба или пластина) вращается вместе с валом прерывателя, и при прохождении мимо прорезей чашки индуцировал в витках катушки электрический импульс, который после усиления использовался для управления катушкой зажигания. Такая конструкция позволила отказаться от контактов в прерывателе.

Дальнейшие усовершенствования подобной конструкции привели к отказу от массивной катушки в прерывателях такого типа, и в них устанавливали миниатюрные датчики с прорезью в магнитопроводе, через которую периодически проходила вращающаяся металлическая пластина, закрепленная на валу прерывателя (рис. 2, а).

Тем не менее, прерыватель, представляющий собой достаточно сложное механическое устройство с подвижными деталями, все еще не давал покоя конструкторам и изобретателям, стремящимся упростить и повысить надежность системы зажигания.

Следующим этапом усовершенствования системы зажигания был полный отказ от прерывателя, функцию которого взяли на себя датчики положения, использующие эффект Холла и различные инициаторы импульсов в виде пластин с прорезями или окнами, закрепленными непосредственно на валах, положение которых необходимо контролировать. Такие устройства практически лишены сопряженных подвижных деталей, поэтому несравненно надежнее в работе, чем системы зажигания, использовавшие прерыватели различных типов и конструкций.

Конструктивно датчики положения, использующие эффект Холла могут быть выполнены в разных вариантах — щелевыми, когда пластина на валу перемещается в специальной прорези на магнитопроводе, или торцевыми, размещаемыми рядом с инициирующей пластиной.

Торцевые датчики обычно применяется в качестве датчиков положения коленчатого вала, а щелевые датчики часто применяются в качестве датчика фаз.

Впрочем, это конструктивное отличие не существенно — ведь принцип работы таких датчиков одинаков, и в его основе лежит эффект, открытый много лет назад Эдвином Холлом.

***

ролик о датчиках Холла

***

Датчики положения коленчатого и распределительного вала



Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71

Олимпиады и тесты

Источник: http://k-a-t.ru/dvs_pitanie/41-datchik_Holla/index.shtml

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.

Читайте нас на Яндекс.Дзен

Источник: https://v-kosmose.com/fizika/effekt-holla/

Эффект холла — в чем заключается, применение для датчиков тока и положения, формула, квантовый, аномальный и другие виды

Электричество и магнитные поля существуют в тесной взаимосвязи друг с другом. Многие известные физики посвятили жизнь исследованию этой связи, поиску и описанию законов, на которых она базируется, а также способов применения на практике полученных теоретических сведений. Одним из таких учёных был Эдвин Герберт Холл, выдающийся американский исследователь, автор ценных научных материалов.

В ходе одного из экспериментов он обнаружил необычное явление, которое со временем получило название «эффект Холла». Сегодня он массово используется в бытовой и компьютерной технике, электрооборудовании автомобилей, контрольно-измерительных приборах и, конечно, исследовательских лабораториях.

Так в чём же физическая суть эффекта Холла и почему он не теряет своей актуальности спустя почти полтора века с момента открытия?

Что такое эффект Холла?

Эдвин Холл, пропуская ток через тонкую золотую пластину, расположенную между двумя магнитами, заметил, что носители заряда (электроны) отклоняются от центральной оси к одной из граней проводника.

Таким образом, на этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной — положительный. Возникшая разность потенциалов именуется холловским напряжением. Она строго перпендикулярна току в проводнике и вектору магнитной индукции.

Это явление наблюдается не только в золоте, но и в любых проводниковых и полупроводниковых материалах, помещённых в магнитное поле.

Если проанализировать физическую суть, можно обнаружить, что у истоков накопления заряда на гранях проводника лежит сила Лоренца, с которой магнитное поле воздействует на заряженную частицу. Под её воздействием электроны будут накапливаться на грани проводника до тех пор, пока их суммарный заряд не скомпенсирует существующее магнитное поле.

В том же случае, когда внешнее магнитное поле слишком велико, система выйдет за рамки стабильности, и заряженные частицы начнут двигаться по циклоиде. Это называется несоблюдением критерия малости.

Виды

Цифровые датчики Холла делятся на униполярные и биполярные

Помимо эффекта Холла, законы которого описаны классической физикой и соблюдаются во всех нормальных или приближённых к нормальным условиям экспериментах, выделяют ещё несколько разновидностей явления возникновения разности потенциалов в проводнике.

Аномальный

Аномальным называют любой случай накопления заряда на грани проводника, в котором исключено воздействие внешних магнитных полей. Необходимым условием является перпендикулярная направленность разницы потенциалов относительно направления силы тока.

Причины, по которым возникает аномальный эффект Холла, обычно кроются в намагниченности металла-проводника или особенностях его молекулярной структуры.

Квантовый

Законы возникновения разницы потенциалов в «квантовом мире» исследуются на примере плоского проводника типа ДЭГ (двумерный электронный газ). Квантовый наблюдается в сильных магнитных полях и при низких температурах. Он выражается в квантовании холловского сопротивления, которое на графике имеет чётко выраженные «участки плато». Чем выше сопротивление, тем длиннее участки плато и выше разница между ними.

Открытие данного явления — одна из основных вех современной квантовой физики. Клаус фон Клитцинг, первооткрыватель квантового эффекта Холла, в 1985 году был удостоен Нобелевской премии.

Дробный

Многие передовые учёные в 80-х годах прошлого века заинтересовались исследованиями фон Клитцинга и продолжили изучать свойства разности потенциалов в ДЭГ.

Наибольших успехов достигли Даниэль Цуи и Хорст Штёрмер, которые проанализировали промежуточные участки между «плато сопротивления» и пришли к выводу, что при существенном увеличении интенсивности магнитных полей «участки плато» можно получить и на дробных значениях электронных уровней Ландау, например, при n=1/3; n=2/5; n=3/7 и т. д.

Такое явление получило название дробного квантового эффекта Холла, а его первооткрыватели получили Нобелевскую премию по физике в 1998 году. В настоящее время ведутся расширенные исследования квантового и дробного квантового видов данного эффекта.

Спиновый

В 2003–2004 годах было изучено поведение электронов с антипараллельными спинами в проводниках, изолированных от каких-либо магнитных полей. Теоретической базой исследования послужили теории Владимира Переля, выдвинутые в далёком 1971 году. Они были доказаны на практике, когда удалось зафиксировать отклонения данных групп электронов к противоположным граням проводника. Движение заряженных частиц напоминает первый вид эффекта — аномальный.

Формулы и расчёты

Поскольку данный эффект базируется на силе Лоренца, то именно с её определения и начинается математическое описание возникшей разницы потенциалов. Сила Лоренца определяется из следующего выражения:

Fл=qvB, где:

• q — заряд частицы;
• v — скорость движения частиц;
• B — внешнее магнитное поле.

Электрическое поле, сформированное образовавшимися на гранях проводника зарядами, тоже влияет на движущиеся в сечении электроны. Сила этого влияния описывается так:

Fэл=qE, где:

• q — заряд частицы;
• E — напряжённость внутреннего электрического поля.

Когда разность потенциалов уравновешивает магнитное поле, система считается стабильной. При этом соблюдается условие Fл= Fэл. Следовательно, верны и два следующих утверждения:

qvB= qE

E=vB

Скорость электронов обычно определяется с помощью формулы плотности тока:

j=qnv; v=j/qn, где:

• q — заряд частицы;
• n — кол-во частиц на единицу объёма.

Теперь электрическое поле E можно описать с помощью выражения:

E=jB/qn

Найдём разность потенциалов:

Uн=dE=djB/qn, где d — толщина проводящей пластины.

Упростить данное выражение можно с помощью так называемой «постоянной Холла», которая имеет вид R=1/qn. Окончательная формула разности потенциалов примет вид:

Uн=RdjB

То есть, разность потенциалов прямо пропорциональна толщине проводника, магнитной индукции и плотности тока.

Применение

Поскольку данное явление позволяет адекватно оценить концентрацию и подвижность заряженных частиц, проследить чёткую зависимость между силой тока, внешним магнитным полем и поведением электронов в материале, он нашёл широкое применение на практике. В общем виде устройства и приборы, принцип действия которых основан на эффекте Холла, можно разделить на две категории: контрольно-измерительное оборудование для материалов с различной проводимостью и электронные датчики.

В проводниках и полупроводниках

В точном машиностроении рассматриваемый эффект используют для определения электромагнитных свойств и молекулярной структуры материала. В проводниках эти показатели оцениваются посредством анализа движения электронов под воздействием силы тока и магнитных полей, в полупроводниках же с равной эффективностью анализируется как поведение электронов, так и образование электронных дырок. Широкое распространение получил метод ван дер Пау, позволяющий определить:

• тип полупроводника (p или n);
• концентрацию заряженных частиц;
• холловскую подвижность заряженных частиц.

Метод применим к любому плоскому образцу произвольной формы, толщина которого намного меньше длины исследуемого участка. Он широко используется при первичных расчётах полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

Направление поля Холла в проводниках зависит от их типа

Датчики Холла — назначение и разновидности

Самостоятельные устройства и элементы систем, использующие интересующий нас эффект для измерения магнитоэлектрических величин, называют датчиками Холла. Их делят на две большие группы: аналоговые и цифровые. Аналоговые датчики очень просты и представляют собой, как правило, изолированный источник магнитного поля, действие которого на проводник напрямую зависит от расстояния и полярности. Такие датчики служат для преобразования магнитной индукции в разность потенциалов.

Они необходимы для измерения магнитных полей. Если индукция поля превышает заданный порог срабатывания датчика, то он формирует цифровой сигнал «1», в противном случае значение сигнала – «0». Ввиду наличия «слепых зон», в которых индукция слишком мала для срабатывания датчика, его применение не всегда целесообразно. Цифровые датчики холла делят на:

• униполярные — генерируют выходной сигнал в магнитном поле любой полярности, отключаются при падении индукции;
• биполярные — переключают выходной сигнал с «1» на «0» при изменении полярности магнитного поля.

Датчики Холла встречаются в почти любой достаточно сложной электронике — от бесконтактных выключателей до смартфонов, от автомобильных двигателей до ионных двигателей космических кораблей. Способность реагировать на появление и изменение магнитных полей сделала устройство незаменимым в электронике и электромеханике, а отсутствие прямого физического взаимодействия обеспечило высокую надёжность и точность, износостойкость и долговечность датчиков.

Изготовление датчика тока на основе эффекта Холла

Если Вы обладаете хотя бы базовыми навыками в работе с электронными компонентами, то без особого труда сможете самостоятельно сконструировать датчик тока. С его помощью можно будет бесконтактно определять наличие электрического тока в проводнике. Вот полный перечень материалов и инструментов, которые Вам понадобятся:

• цифровой датчик Холла в «транзисторном» корпусе, например, A3144 или US1881;
• ферритовое кольцо внешним диаметром не менее 25 мм (можно купить в магазине радиодеталей или извлечь из старого блока питания от энергосберегающих ламп или ПК);
• электрический зажим типа «крокодил»;
• цианакрилатный клей;
• резистор и конденсатор номиналами соответственно 10 кОм и 0,1 мкФ;
• плата Arduino, макетная плата, провода — для временной макетной сборки;
• плата Arduino, припой, канифоль, паяльник, провода — для сборки навесным монтажом;
• ручной лобзик с набором пилок, надфили, наждачная бумага, кусочки резины или ветоши.

Разверните корпус датчика маркировкой к себе. Нумерация выводов слева направо классическая: 1, 2, 3. Между первой и второй ножкой установите керамический конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ (100 нФ). Между первой и третьей ножкой установите резистор сопротивлением 10 кОм. Теперь подключим датчик к плате Arduino по такой схеме:

• «1» — к контакту 5V+;
• «2» — к контакту GND;
• «3» — к цифровому выходу.

Устанавливать кермачиеский конденсатор между первой и второй ножками необязательно, но рекомендуется для стабилизации входящего напряжения

Ферритовое кольцо аккуратно распилите пополам с помощью ручного лобзика. Материал твёрдый, но достаточно хрупкий, поэтому работать придётся осторожно. Полученные полукольца очистите от сколов и шероховатостей, после чего приклейте сбоку к «челюстям» зажима-крокодила так, чтобы в сжатом состоянии торцы полуколец едва касались друг друга. На один из торцов наклейте кусочек плотной толстой ткани или резины, на второй — корпус цифрового датчика Холла.

Теперь, поместив внутри разрезанного ферритового кольца проводник и пустив по нему электрический ток, вы сможете наблюдать появление входящего сигнала на плате Arduino.

На сегодняшний день классический эффект Холла полностью изучен и служит теоретической базой для более или менее сложных электронных устройств. Ведутся исследования частных разновидностей эффекта Холла, в том числе поиск способов их использования в электрических, жидко- и газотопливных двигателях нового поколения.

Источник: https://elektro.guru/osnovy-elektrotehniki/effekt-holla.html

Понятие и применение эффекта Холла

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

От Лоренца к Холлу

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

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

Следует отметить, что стрелки на втором рисунке показывают направления протекания обычного тока, а это означает, что электроны двигаются в противоположном направлении. Направление силы Лоренца определяется правилом правой руки, учитывающим направление движения электрона относительно магнитного поля. На первом рисунке электрон движется вправо, а сила Лоренца направлена вверх.

На втором рисунке электроны движутся влево, а сила Лоренца направлена вниз, и, таким образом, отрицательный заряд накапливается на нижней стороне проводника. Результатом является разность потенциалом, которая возникает между верхней и нижней кромками проводника, с верхним краем более положительным по сравнению с нижним.

Эта разность потенциалов называется напряжением Холла:

\[U_{Холл}=-\frac{IB}{eρt}\]

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

Использование эффекта Холла

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

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

Достоинства и недостатки

Характеристики у разных датчиков тока на основе эффекта Холла сильно отличаются, поэтому трудно суммировать достоинства и недостатки использования эффекта Холла относительно другого распространенного способа измерения тока; а именно, вставки прецизионного резистора в цепь протекания тока и измерения появившегося на нем падения напряжения с помощью дифференциального усилителя.

В целом, датчики Холла ценятся за «невлияние» и обеспечение электрической изоляции между цепью протекания тока и измерительной цепью. Эти устройства рассматриваются как не оказывающие влияния потому, что в цепь протекания тока не вставляется какого-либо существенного сопротивления, и, таким образом, схема при проведении измерений ведет себя так же, как если бы датчика не было вовсе.

Дополнительным преимуществом является то, что датчиком рассеивается минимальная мощность; это особенно важно при измерении больших токов.

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

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

Изоляция

Одно из главных преимуществ датчиков Холла заключается в электрической изоляции, которую в контексте проектирования схем и систем называют гальванической развязкой.

Принцип гальванической развязки используется всякий раз, когда проект требует, чтобы две схемы связывались таким способом, который предотвращает любую возможность протекания между ними электрического тока.

Простой пример, когда цифровой сигнал передается через оптоизолятор, который преобразует импульсы напряжения в импульсы света и таким образом передает данные оптическим способом, а не электрическим. Одной из основных причин для реализации гальванической развязки является предотвращение проблем, связанных с земляными контурами:

Основные принципы проектирования схем предполагают, что взаимосвязанные компоненты совместно используют общую точку земли, на которой предполагается 0 В.

В реальной жизни, однако, «земля» состоит из проводников, имеющих ненулевое сопротивление, и эти проводники служат в качестве обратного пути протекания тока от схемы назад к источнику питания.

Закон Ома напоминает нам, что ток и сопротивление дадут напряжение, и это падение напряжения в обратном пути означает, что «земля» в одной части схемы не точно такая же по потенциалу, как «земля» в другой части схемы. Эта разница в потенциалах земли может привести к проблемам, начиная от незначительных до катастрофических.

Для предотвращения протекания постоянного тока между двумя схемами используется гальваническая развязка, позволяющая успешно общаться схемам с различными потенциалами земли.

Это особенно актуально для измерения токов: низковольтный датчик и обрабатывающая цепь могут понадобиться для контроля больших, изменяющихся в больших пределах токов, например, в цепи привода двигателя.

Эти большие, быстро изменяющиеся токи приведут к значительным колебаниям напряжения в цепи обратного пути протекания тока. Датчик Холла позволяет системе контролировать ток привода и защитить схему высокоточного датчика от этих вредных колебаний земли.

Синфазное напряжение

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

Реальные усилители имеют ограниченный «диапазон синфазности», что означает, что устройство не будет функционировать должным образом, разница между входными напряжениями мала, и очень велика разница между ними и землей.

Диапазоны синфазных входных напряжений токоизмерительных усилителей, как правило, не выходят за пределы 80 или 100 В. С другой стороны, датчики Холла могут преобразовать ток в напряжение без связи с потенциалом земли в измеряемой цепи.

Следовательно, пока напряжение не достаточно велико, чтобы вызвать физическое повреждение, синфазное напряжение не влияет на работу датчика Холла.

Оригинал статьи

• Robert Keim. Understanding and Applying the Hall Effect

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

Источник: https://radioprog.ru/post/99

Сущность эффекта Холла

Эффект Холла является следствием существования силы Лоренца. На движущиеся в магнитном поле заряды действует сила Лоренца. Под ее действием электрон отклоняется от первоначального направления движения к одной из граней. В результате одна из граней проводника заряжается отрицательно, следовательно, другая становится положительно заряженной. Внутри металла появляется поперечное электрическое поле ($\overrightarrow{E_x}$).

Сущность этого явления заключена в том, что электропроводимость проводника во внешнем магнитном поле является тензорной величиной (не скаляром).

Напряженность поперечного электрического поля, которое называют холловским, добавляется к напряженности электрического поля, которое вызывает ток в отсутствии магнитного поля.

В результате $\overrightarrow{E}$ поля образует с плотностью тока угол, который называют углом Холла (направление вектора $\overrightarrow{E}$ и направление вектора $\overrightarrow{j\ }\ $ не совпадают). Связь напряжённости и плотности тока имеет вид:

где ${\sigma }_{ik}$ — тензор электропроводимости. Эффект Холла относят к гальваномагнитным эффектам (эффектам, которые происходят в веществе под действие магнитного поля).

Эмпирически получено, что поперечная разность потенциалов (U), возникающая в эффекте Холла в слабых магнитных полях, может быть рассчитана как:

где $R=\frac{1}{nq_e}$- постоянная Холла, $q_e$ — заряд электрона. Разность потенциалов измеряется, остальные величины в формуле (1) известны. Так находится концентрация зарядов. По знаку разности потенциалов определяют знак носителей тока.

Значение и применение эффекта Холла

Результаты измерений показали, что в металлах ток происходит как движение отрицательных зарядов (электронов). Концентрация их изменяется в пределах равенства концентрации атомов. То есть на один атом вещества приходится, в среднем, один свободный электрон. У металлов концентрация атомов около $n\sim {10}{28}м{-3}.$

Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и например, в полупроводниках. Опыты по изучению эффекта Холла в разных веществах показали, что он не всегда является результатом движения отрицательных зарядов. Если измерение разности потенциалов в эффекте Холла показывает, что движутся положительные заряды, то такой эффект называют аномальным.

Эффект Холла используют создавая так называемые датчики Холла. Они используются для определения параметров магнитных полей, нахождения местоположения объектов.

Данный эффект используют для изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках.

На эффекте Холла основано действие магнитных насосов для стимулирования циркуляции жидких металлов и других проводящих жидкостей и магнитодинамических генераторов энергии.

Для измерения постоянной Холла часто применяют компенсационный метод. Составляют цепь, которая изображена на рис.2. По пластинке А течет ток, к ней подведены два контакта 1 и 2. G — гальванометр, K — компенсатор, который создает напряжение противоположное напряжению Холла. Изменяют напряжение с помощью компенсатора добиваются того, чтобы ток через гальванометр обратился в ноль. Получают, что разность потенциалов на компенсаторе и напряжение холла совпали.

Используя формулу (2) рассчитывают постоянную $R$. В справочных материалах иногда приводят две постоянных Холла расчетную и экспериментальную. Расхождения объясняются тем, что в расчетах предполагается, что число электронов проводимости в точности равно количеству валентных электронов. $R$ может быть как положительной так и отрицательной.

Постоянная Холла считается положительной, если векторы $\overrightarrow{j},\ \overrightarrow{B},\ {\overrightarrow{E}}_x$ образуют правовинтовую систему.

Рис. 2

Пример 1

Задание: Рассчитайте холловскую разность потенциалов для золотой ленты толщины $l={10}{-4}$ м, по которой течет ток 10 А. Магнитное поле $1Тл.$

Решение:

Для решения задачи используем формулу:

\[U=RdjB\ \left(1.1\right),\]

где экспериментальное значение постоянной Холла $R_{Au}$=-0,7$\cdot {10}{-11}\frac{м3}{Кл}$. Плотность тока ($j$) найдем как:

\[j=\frac{I}{ld}\left(1.2\right).\]

Подставим (1.2) в (1.1), получим:

\[U=R\frac{I}{l}B.\]

Проведем вычисления:

\[U=-7,4\cdot {10}{-11}\frac{10}{{10}{-4}}\cdot 1=-7,4\cdot {10}{-6}\left(В\right).\]

Ответ: Холловская разность потенциалов весьма мала, и составляет $U=7,4\cdot {10}{-6}В.$

Пример 2

Задание: Получите выражение для постоянной Холла, считая, что проводник с током, помещен в магнитное поле. Следует допустить, что электрон движется равномерно.

Решение:

Сила Лоренца, которая действует на электрон в магнитном поле, движущийся со скорость $\overrightarrow{v}$ равна:

\[\overrightarrow{F}=q_e\overrightarrow{E}+q_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.1\right).\]

В равновесии $\overrightarrow{F}=0$ тогда можно записать, что:

\[q_e\overrightarrow{E}={-q}_e\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\to \overrightarrow{E}=-\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(2.2\right).\]

Плотность тока в проводнике можно выразить как:

\[\overrightarrow{j}=-q_en\overrightarrow{v}\left(2.3\right),\]

где $n$ — концентрация электронов. Из $\left(2.3\right)$ выразим скорость:

\[\overrightarrow{v}=-\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\left(2.4\right).\]

Кроме того разность потенциалов между точками 1- 2 (рис.1) равна:

\[d\cdot \overrightarrow{E}=U\left(2.5\right).\]

Подставим в (2.5) выражение для напряженности (2.2) и скорость из (2.4), получим:

\[U=d\left[\frac{\overrightarrow{j}}{nq_e}\overrightarrow{B}\right]=\frac{d}{nq_e}\left[\overrightarrow{j}\overrightarrow{B}\right]\left(2.6\right).\]

Выражение для разности потенциалов в эффекте Холла имеет выражение:

\[U=RdjB\left(2.7\right).\]

Получаем, что постоянная Холла равна:

\[R=\frac{1}{nq_e}.\]

Ответ: $R=\frac{1}{nq_e}.$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/effekt_holla/

Эффект Холла и его применение

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

В чем заключается эффект холла

Определение 1

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

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

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

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

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

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

Определение 2

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

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

Аномальный ЭХ

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

Квантовый ЭХ

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

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

Спиновый ЭХ

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

Применение эффекта Холла

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

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

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

Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/effekt-holla/

Свойства

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

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

eE1 = evB => E1 = vB.
где e — электрический заряд электрона.
Скорость электронов v можно выразить через плотность тока j:

j = nev —> v = j / ne,
где n — концентрация носителей заряда. Тогда
E1 = (1/ne)*j*B.
Коэффициент Rh = (1/ne) пропорциональности между E1 и jB называется коэффициентом (или константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их знак заряда для большого числа металлов и полупроводников.

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

Аномальный эффект Холла

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

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

Квантовый эффект Холла

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

Двумерный электронный газ (ДЭГ) — электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму.

Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками.

Если число заполненных энергетических подзон в ДЭГ превышает одну, то говорят о квазидвумерном электронном газе. По аналогии с ДЭГ можно говорить и о двумерном дырочном газе.

Двумерный электронный газ в MOSFET формируется при приложении напряжения на затвор.

Электронно-дырочная жидкость — неравновесная фаза электронных возбуждений, существующая в некоторых полупроводниках при низких температурах, если концентрация носителей заряда (электронов проводимости и дырок) превышает некоторую критическую величину. Существование электронно-дырочной жидкости было обнаружено и исследовано в начале 1970-х годов. Лучше всего она изучена для кремния и германия.

Электронно-дырочная жидкость возникает при высокой концентрации электронов и дырок, которой можно достигнуть при помощи инжекции или возбуждением при интенсивном лазерном облучении. Электроны и дырки в полупроводниках, связываясь в пары, образуют квазичастицы, которые называются экситонами. Экситоны могут также связываться в пары, образуя биэкситоны.

Однако, при высокой концентрации электронов и дырок создаётся состояние, аналогичное плазме, в котором кулоновское взаимодействие между квазичастицами экранировано. Именно это вырожденное металлоподобное состояние получило название электронно-дырочной жидкости.

При его образовании происходит фазовый переход (в условиях, далёких от равновесия) и изначально однородный газ возбуждений разбивается на капли электронно-дырочной жидкости с высокой концентрацией квазичастиц, окружённые газоподобными областями с низкой концентрацией квазичастиц.

Об образовании капель электронно-дырочной жидкости свидетельствует появление в спектрах излучения кроме экситонной линии также широкой полосы, отвечающей электронно-дырочной рекомбинации.

Спиновый эффект Холла

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

Спи́новый эффе́кт Хо́лла — эффект отклонения электронов с антипараллельными спинами к противоположным сторонам немагнитного проводника при отсутствии внешнего магнитного поля. Теоретически он был предсказан М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем в 1971 году.

Различают внешний и внутренний спиновые эффекты Холла. Внешний спиновый эффект Холла наблюдается в парамагнетиках и легированныхполупроводниках. В них электроны с одним направлением спина рассеиваются в одну сторону перпендикулярно электрическому полю, а с противоположным направлением спина — в другую подобно как происходит при аномальном эффекте Холла.

То есть основную роль играет спин-зависимое рассеяние на полях примесей. Внутренний спиновый эффект был предсказан С. Мураками и др. в 2003 году и, независимо, Синовой в 2004 году, рассматривавших движение дырок и двумерного электронного газа в полупроводниках.

Для внутреннего спинового эффекта отклонение носителей тока с противоположными направлениями тока происходит из-за спин-орбитального взаимодействия типа Рашбы.

Наблюдать эффект на практике можно при инжекции спин-поляризированного тока из ферромагнетика в немагнитный металл.

Магнетосопротивление

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

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением.

Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнитосопротивления выражен слабее.

В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100—10 000 раз больше, чем в металлах.

Магнитосопротивление вещества зависит и от ориентации образца относительно магнитного поля.

Это связано с тем, что магнитное поле не изменяет проекцию скорости частиц на направление магнитного поля, но благодаря силе Лоренца закручивает траектории в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Это объясняет, почему поперечное поле действует сильнее продольного. Речь идет в основном о поперечном магнитосопротивлении двумерных систем, когда магнитное поле ориентировано перпендикулярно к плоскости движения частиц.

На основе магниторезистивного эффекта создают датчики магнитного поля.

Что такое Эффект Холла и как его применяют?

Это физическое явление было открыто американским физиком Э. Холлом во второй половине XIX века. В процессе эксперимента исследователь пропустил магнитное поле сквозь золотую пластинку по которой проходил постоянный ток. В результате по краям пластины возникла разность потенциалов, это явление и получило название эффект Холла (ЭХ).

Что из себя представляет явление

В кратчайшем изложении ЭХ представляет собой частный случай действия магнитных сил на электрозаряженные частицы. Таким образом, если поместить проводник (либо полупроводник) в виде пластины в магнитное поле и сориентировать ее так, что она будет расположена перпендикулярно его линиям возникнет сила, которая заставит частицы смещаться в поперечнике этой пластины.

1. Направление движения электронов будет зависеть от двух факторов:
2. Направленности силовых магнитных линий. Направления силы тока.

Итогом эксперимента станет скопление на одной из кромок пластины частиц с отрицательным зарядом. На противоположной стороне пластины возникнет симметричный положительный потенциал. Между ними возникнет разность, которая и наблюдается в виде электрического напряжения. Оно будет нарастать, пока не станет равно лоренцовой силе, действующей на электроны в проводнике.

Встречаются и другие разновидности данного явления, например, аномальный эффект Холла, который возникает в условиях отсутствия постоянного магнитного поля, действующего образец. Возникает подобное явление и в квантовых системах (квазидвумерных электронных жидкостях и газах), оно получило название – квантовое холловское сопротивление.

Сфера применения

Наиболее распространены датчики, работающие на данном физическом явлении. Они позволяют точно измерять напряженность магнитного поля и широко используются в:

• Системах электронного зажигания для ДВС.
• В качестве электронного компаса в смартфонах и другой мобильной технике.
• В электродвигателях вентиляторов для охлаждения компьютерной техники.

Холловские датчики часто используются в электроизмерительных приборах, они позволяют бесконтактно измерить силу тока. Неплохие показатели эффективности демонстрируют экспериментальные ионные двигатели, работа которых обеспечивается за счет этого эффекта. Возможно в будущем многие дальние космические перелеты будут осуществляться именно за счет подобных двигательных установок.

Еще одна сфера широкого применения этого физического процесса – изучение полупроводниковых материалов. С его помощью можно точно вычислить количество и подвижность носителей электрического заряда в единице объема материала.

Для такой задачи используют сложные системы измерения эффекта Холла. Компания «Илпа Тех» (ILPA Tech) — единственная в СНГ, которая реализует самые современные системы для лабораторий и исследовательских центров.

Источник: https://www.penza-press.ru/chto-takoe-effekt-holla-i-kak-ego-primenyayut.dhtm

Эффект Холла: в чём заключается явление, измерения датчиками, основанными на элементах Холла, формула расчетов

Изучение влияния друг на друга электричества и магнетизма привело к открытию явления, названого впоследствии именем его исследователя, эффектом Холла. Благодаря экспериментам учёного был создан датчик, получивший широкое применение в электрических схемах. Его используют в мобильной и бытовой технике совместно с двигателями, в измерительном оборудовании за счет способности преобразовывать магнитную индукцию в разность потенциалов.

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков.

Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями.

Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

1. К проводящей пластине подводился электрический ток.
2. Гальванометр подключался к краям проводника.
3. Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

В результате был обнаружено, что при подаче на проводник электрического тока заряд в ней распределяется равномерно по всей её поверхности.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Физико-математическое определение

Эффект Холла — это явление, которое можно наблюдать при помещении вещества проводящего электрический ток под действие магнитного поля.

Физик Холл открыл, что в проводнике, при пропускании по нему постоянного тока появляется электродвижущая сила (ЭДС) если его поместить в поперечное магнитное поле.

Физически это обозначает возникновение напряжения на боковых гранях проводящего вещества при поднесении к нему магнита. Используя это, можно регистрировать магнитное излучение. Возникшее напряжение зависит от трёх факторов:

• силы тока;
• напряжённости поля;
• типа проводника.

Вам это будет интересно  Устройство и принцип работы трансформатора тока

Сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный заряд в веществе, называется силой Лоренца. Частным её случаем является сила Ампера. Математически напряжённость электрического поля описывается выражением:

E h = R*H*j*sinα, где:

• H — напряжённость магнитного поля;
• j — плотность тока;
• α — векторный угол между силовыми линиями H и j;
• R — постоянная Холла.

Если к пластине прямоугольной формы, имеющую длину L, которая намного будет превышать ширину b и толщину d, подвести ток, то его значение будет определяться формулой: I = j*b*d. Когда же её переместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно этому току, то на боковых гранях пластины возникнет ЭДС, равная:

V h = E h* b = R*H*I/d.

Так как эффект объясняется влиянием поля на элементарные частички (дырки или электроны) то сила действующая на них описывается законом Лоренца: F =e * [H*υ], где υ — усреднённая скорость носителей зарядов, зависящая от концентрации и величины носителей. Под влиянием этой силы носители начинают прижиматься к боковым поверхностям пластины перпендикулярно j и H. Там они накапливаются, и возникает явление Холла, уравновешивающее силу Лоренца.

При этом коэффициент Холла равен: R = 1/n*e. Например, для металлов он составляет около 10-3 см3/Кл, а у полупроводников от 10 до 105 см3/Кл.

Постоянную Холла также можно выразить через способность носителей заряда реагировать на внешнее воздействие (подвижность). Так, она равна: R = µ/σ, где: µ — дрейфовая скорость носителей, а σ — удельная электропроводность. Но это в большей мере справедливо для поликристаллов. В то же время для анизотропных проводников будет верней формула: R = r/e*n. Здесь r принимается равной единице и обозначает оценку силы магнитного поля.

Разновидности явления

По мере исследования эффекта был обнаружен ряд особенностей появления электрического поля, отличающий от классического понимания. Так, учёными были выявлены факторы, приводящие к появлению напряжения без пропускания через пластинку тока. Такие явления получили название:

• аномальное;
• квантовое;
• спиновое.

Для аномального эффекта необходимым условием является нарушение T-симметрии, то есть уравнений, описывающих физические законы при обращении времени. Наиболее часто этот эффект наблюдается в материалах, имеющих остаточную намагниченность (ферромагнетики).

Квантовое же отклонение возникает в квазидвумерном электронном газе, где пренебрегают кулоновским взаимодействием. В нём носители заряда обладают слабой связью с ионами кристаллической решётки. В такой системе работают законы квантовых теорий.

При этом чем сильнее магнитное поле, тем более выражено дробное явление Холла, связанное с трансформированием структуры всего электронного газа.

В 1971 году учёные Дьяконов и Перель, изучающие механизм спиновой релаксации, обнаружили, что перпендикулярно направлению линий электромагнитного поля наблюдается отклонение носителей зарядов, имеющих противоположные спины. Этот эффект был связан со спин-гальваническим рассеянием и взаимодействием между спиновыми и орбитальными магнитными моментам.

Вам это будет интересно  Понятие, виды и свойства электрического тока

Способы использования явления

На основе эффекта Холла создаются устройства и приборы, обладающие нужными и часто уникальными свойствами. Эти приборы занимают важное место в измерительно-контрольной технике, автоматизации, радиотехнике и т. д. Приспособления, использующие в своей работе явление Холла, называются элементами Холла (датчиками).

Эти датчики дают возможность измерять силу магнитного поля, так как при неизменной величине тока электродвижущая сила прямо пропорциональна линиям магнитной индукции. Прямая зависимость этих величин для элементов Холла является неоспоримым преимуществом перед другими типами измерителей индукции, основанных на контроле магнетосопротивления.

Приборы Холла позволяют проводить измерения электрических и магнитных характеристик не только металлов, но и полупроводников.

Из-за простоты своего действия, несложности в изготовлении, а также высокой точности и надёжности они широко применяются в различных отраслях науки и техники.

Датчики используются для измерения силы, давления, углов, перемещения и других неэлектрических величин. Этот эффект используют и при изготовлении полупроводников для контроля подвижности носителей зарядов и подсчёта их концентрации.

Для этого используется формула эффекта Холла: V h = j*B*H / n*q = B*I / (q*n*α) = R*B*I/α,

из которой число носителей находится как N = (I*B) / (q*α* V h). Таким образом, можно определить не только количество носителей, но и также их тип (знак).

Источник: https://rusenergetics.ru/praktika/kak-ispolzuetsya-effekt-xolla

Эффект Холла, что это? Загадки скрещенных токов

   Если спросить человека, знакомого с физикой на уровне лишь базовых знаний о том, что такое эффект Холла и где он применяется, ответа можно не получить. Удивительно, но в реалиях современного мира такое происходит довольно часто.

На самом деле эффект Холла используется во многих электротехнических устройствах. К примеру, некогда популярные компьютерные дисководы для дискет определяли начальное положение двигателя с помощью генераторов Холла.

Соответствующие датчики «перекочевали» и в схемы современных приводов для компакт-дисков (как CD, так и DVD).

   В конце прошлого века молодой американский студент-физик Эдвин Холл сделал открытие, вписавшее его имя в учебники физики. Он проводил простой, «студенческий» опыт — изучал распространение тока в тонкой металлической пластинке, помещенной между полюсами сильного электромагнита.

Студенты всех университетов проходят лабораторную практику, где на простых примерах их обучают мастерству эксперимента. Так было и в этот раз.

Скромный студент и предполагать не мог, что его простенький опыт породит целую лавину исследований, часть которых будет отмечена самой почетной научной наградой — Нобелевской премией.

   Эффект холла принципиальная схема

   Прибор, с которым работал Холл, состоял из двух крест-накрест расположенных электрических цепей — так перевязывают ленточкой коробки с конфетами. Цепи различались тем, что одна из них содержала электрическую батарею и ток от нее проходил вдоль пластинки, другая, поперечная, не имела источников тока и просто соединяла края пластины.

   Как и следовало ожидать, в случае, когда электромагнит был выключен, приборы фиксировали течение тока лишь вдоль пластины — в цепи с батареей — и его отсутствие в «пустой» поперечной цепи. Ничего удивительного.

Однако, как только включался электромагнит, в поперечной цепи как бы из ничего, сам по себе возникал электрический ток. Это было интересно, но никакого чуда тут не было — объяснение нашлось довольно быстро.

На движущиеся в продольной цепи электроны действует хорошо известная еще из школьного учебника сила Лоренца, отклоняющая электроны в поперечном направлении, что и порождало небольшой ток в поперечной цепи — все элементарно просто.

Применение Эффекта Холла в микроэлектронике

   Более полувека, полузабытое, это явление оставалось в тылу физической науки. Откопали его в архивах специалисты по микроэлектронике.

Сначала выяснилось, что если грубые измерительные приборы времен Холла заменить на современные, то открытое им явление можно использовать для подсчета числа заряженных частиц, движение которых порождает электрический ток, а это очень важно для конструкторов малошумящих транзисторов и других высокочувствительных микроэлектронных устройств, работающих с очень слабыми токами и магнитными полями.

Странное поведение скрещенных токов

   Эффект Холла стали тщательно изучать, не жалея усилий на повышение точности. Третий, четвертый, пятый десятичный знак на шкалах измерительных приборов И вот тут стали проявляться удивительные, на первый взгляд просто невероятные явления.

 Первый поразительный результат был получен двадцать лет назад, в конце семидесятых годов, в опытах с полупроводниковыми цепями в сильном магнитном поле при очень низких температурах, всего на несколько градусов отстоящих от «абсолютного нуля» — 273 градуса по Цельсию, когда вещество промерзает настолько, что застывают все молекулярные движения.

Так вот, если при обычных температурах, близких к комнатной, электрическое сопротивление в цепи с «холловским током» плавно нарастает при увеличении магнитного поля, то вблизи температурного нуля оно почему-то изменяется скачками — как будто гладкая дорожка, по которой движутся частицы тока, вдруг сменяется изрытой глубокими ухабами мостовой.

Плавные кривые, которые выписывали самописцы приборов, сменяются прерывисто «лестницей», высота ступеней которой была равна некоторой постоянной, деленной на целые числа n = 1, 2, 3 и так далее.

  И что еще удивительнее — на каждой ступени сопротивление в продольной цепи тока падает до нуля. То есть для продольного тока вещество становится сверхпроводником — электроны катятся без всякого сопротивления. А вот на стыках, при переходе от одной ступени к другой, сопротивление резко подскакивает и сверхпроводимость мгновенно исчезает. Все это выглядело какой-то путаницей!

 Чем объяснить столь странное поведение скрещенных токов? Почему они ведут себя совершенно по-разному? Электродинамика оказалась бессильной перед этой загадкой Мы привыкли к тому, что загадочные явления встречаются в сложнейших экспериментах с элементарными частицами или глубоко в космосе, когда дело касается черных дыр, взрывающихся галактик и других поражающих наше воображение объектов, а тут — всего лишь опыты с сопротивлением и токами.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Источник: https://powercoup.by/interesnyie-faktyi/effekt-holla

29. Эффект Холла и его применение

Эффе́ктХо́лла —явление возникновения поперечной разностипотенциалов (называемойтакже холловскимнапряжением)при помещении проводника с постояннымтоком в магнитноеполе.Открыт ЭдвиномХоллом в 1879годувтонких пластинках золота.

Впростейшем рассмотрении эффект Холлавыглядит следующим образом. Пусть черезметаллический брус в слабом магнитномполе  течёт электрическийток поддействием напряжённости .Магнитное поле будет отклонять носителизаряда (дляопределённости электроны)от их движения вдоль или против электрическогополя кодной из граней бруса. При этом критериеммалости[1] будетслужить условие, что при этом электрон неначнёт двигаться по циклоиде.

Такимобразом, силаЛоренца приведётк накоплению отрицательного зарядавозле одной грани бруска и положительноговозле противоположной. Накоплениезаряда будет продолжаться до тех пор,пока возникшее электрическоеполе зарядов нескомпенсирует магнитную составляющуюсилы Лоренца:

Скоростьэлектронов  можновыразить через плотностьтока:

где — концентрация носителейзаряда. Тогда

Коэффициент  пропорциональностимежду  и  называется коэффициентом (или константой) Холла.В таком приближении знак постояннойХолла зависит от знака носителей заряда,что позволяет определять их тип длябольшого числа металлов.Для некоторых металлов (например, таких,как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам),в сильных полях наблюдается положительныйзнак ,что объясняетсяв полуклассической и квантовой теориях твёрдоготела.