Эффект холла что это такое: Что такое эффект Холла и где он применим?

Что такое эффект Холла и где он применим?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Из формулы плотности тока:

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

Найдем скорость:

Подставим это выражение в формулу (1):

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

Коэффициент пропорциональности в этой формуле:

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

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

Для любопытных видео о датчиках Холла:

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.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

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.

Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности

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

Что такое эффект Холла

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

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

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

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

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

UХолл=−IB/et

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

Аномальный ЭХ

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

Квантовый ЭХ

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

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

Спиновый ЭХ

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

Применения

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

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

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

Похожие темы:

что это такое и как применятся в автомобилях?

Недавно мы рассказывали на нашем сайте об устройстве и принципе работы трамблера — прерывателя-распределителя зажигания. На сегодняшний же день трамблер практически не применяется, вместо него установлены гораздо меньшие по размерам и более надежные бесконтактные системы зажигания, работа которых основана на эффекте Холла. Что это такое — попробуем разобраться в этой статье.

В контактных системах распределения зажигания за передачу заряда на каждую из свечей отвечает механический бегунок, который вращается вместе с ротором. Понятно, что механическая система уже по определению не может служить длительное время из-за целого ряда причин:

• износ элементов от трения;
• сгорание контактов под воздействием электрического тока и высоких температур;
• появление люфта, из-за чего приходится постоянно проводить настройку угла распределения зажигания или полностью заменять трамблер.

Однако конструкторы и инженеры постоянно ищут пути оптимизации, поэтому они решили задаться вопросом: каким еще способом можно распределять заряд между свечами, не прибегая к механическим устройствам.

Их выбор пал на эффект Холла.

Эдвин Холл в 1879 году обратил внимание на интересное явление — если по проводнику движется электрический ток, то на направление его движения будет оказывать влияние магнитное поле. Говоря простыми словами, электроны будут двигаться перпендикулярно магнитному полю, соответственно на разных концах этого полупроводника можно будет создать разность потенциалов. Влияя же на направление магнитного поля, мы можем сказать, на каких концах данного проводника будет накапливаться электрический импульс.

Понятно, что мы привели приблизительное изложение сути данного эффекта. В учебниках же по физике детально описывается, как на величину потенциала будут влиять различные характеристики:

• сила Лоренца — сила, с которой магнитное поле влияет на отдельно взятый электрон;
• плотность тока;
• концентрация носителей заряда;
• напряженность электрического поля.

На основе всех этих данных была выведена константа Холла, которая определяет, как будет вести себя поток электронов в разных металлах.

Стоит отметить, что эффект Холла практического применения в те далекие времена XIX века не нашел, поскольку люди еще не научились создавать ни магнитные поля нужной напряженности, ни постоянный ток, ни тем более тонкие проводники. То есть в те времена это была чисто теоретическая проблема, которая открывала перед физиками возможности лучше познать устройство мира и его законы.

Применение

На сегодня ситуация коренным образом изменилась и данный эффект используют в самых разных сферах жизни:

• электроника;
• радиоэлектроника;
• моторостроение;
• промышленность и так далее.

Например, если вы скачаете на свой смартфон приложение типа «Компас», или оно у вас уже изначально установлено, то стрелка всегда будет указывать в сторону Северного Полюса как раз благодаря воздействию магнитного поля Земли на поток заряженных частиц. Но поскольку Vodi.su — это портал, посвященный автомобильной тематике, нас больше интересует применение эффекта в автомобилях.

Можно, например, сказать, что датчики, регистрирующие скорость вращения коленчатого вала или колес автомобиля, тоже работают на эффекте Холла.

Но основная область его применения — это система зажигания, и тут можно выделить несколько этапов:

• применение датчика Холла в составе трамблера, где он выполняет роль бегунка, то есть распределяет импульс на контакты разных свечей зажигания;
• датчик Холла применяется вместе с катушками зажигания — трамблера, как такового нет, имеется лишь одна катушка с двойной обмоткой и датчик, с отходящими проводами высокого напряжения к каждой свече;
• полностью бесконтактная система — для каждой свечи имеется своя катушка зажигания.

Ну а в наиболее современных автомобилях потребность в применении датчика Холла в качестве распределителя зажигания отпадает вовсе, к примеру в электронной системе за распределение заряда отвечает электронный блок управления, на который поступают сигналы от датчиков положения коленчатого и распределительного валов.

Тем не менее эти датчики работают на основе эффекта Холла.

Загрузка…

Поделиться в социальных сетях

что это, зачем используется и где применяется / Блог компании Selectel / Хабр

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

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

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

История появления датчика

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

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

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

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

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

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

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

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

Как это работает?

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

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

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

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

Все датчики — разные

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

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

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

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

Разработка систем на основе эффекта Холла

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

Понятие и применение эффекта Холла

Добавлено 21 декабря 2015 в 08:00

Сохранить или поделиться

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

От Лоренца к Холлу

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

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

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

\[U_{Холл}=-\frac{IB}{eρt}\]

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

Использование эффекта Холла

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

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

Достоинства и недостатки

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

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

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

Изоляция

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

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

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

Синфазное напряжение

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

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

Оригинал статьи

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

Сохранить или поделиться

Эффект Холла

Описание сути явления

Возникновение разности потенциалов в проводнике с током под воздействием магнитного поля называют эффектом Холла.

Электропроводность металлов зависит от концентрации электронов проводимости (n) и их подвижности (b). Данные величины являются весьма важными характеристиками металла и определяются опытным путем. Так, для измерения концентрации электроном используют эффект Холла. Рассмотрим проводник в виде прямоугольной пластины, в которой течет ток плотности $\overrightarrow{j.}$ Эквипотенциальными поверхностями внутри этой пластины являются плоскости, перпендикулярные направлению тока, следовательно, разность потенциалов на рис.1 между точками (1 и 2) равна нулю.

Рис. 1

Если в металле создать магнитное поле, которое будет перпендикулярно току, то между точками 1 и 2 (рис.1) возникнет разность потенциалов, которая говорит о том, что при наличии магнитного поля эквипотенциальные поверхности в пластинке отклоняются от первоначального положения. В возникновении поперечной разности потенциалов заключается эффект Холла.

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:

Готовые работы на аналогичную тему

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.{-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.{-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: $R=\frac{1}{nq_e}.$

эффект Холла | Определение и факты

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

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

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

Эффект Холла | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите эффект Холла.
• Рассчитайте ЭДС Холла в проводнике с током.

Мы видели влияние магнитного поля на свободно движущиеся заряды. Магнитное поле также влияет на заряды, движущиеся в проводнике.Одним из результатов является эффект Холла, который имеет важные последствия и приложения. На рисунке 1 показано, что происходит с зарядами, движущимися через проводник в магнитном поле. Поле перпендикулярно дрейфовой скорости 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 ощущают магнитную силу по направлению к одной стороне проводника, оставляя чистый положительный заряд на другой стороне.Это разделение зарядов создает напряжение ε , известное как ЭДС Холла , на проводнике. Создание напряжения на проводе с током магнитным полем известно как эффект Холла в честь Эдвина Холла, американского физика, который открыл его в 1879 году.

Рис. 1. Эффект Холла. (а) Электроны движутся в этом плоском проводнике влево (обычный ток вправо). Магнитное поле находится прямо за пределами страницы и представлено точками в кружках; он воздействует на движущиеся заряды, вызывая напряжение ε , ЭДС Холла, поперек проводника.(b) Положительные заряды, движущиеся вправо (обычный ток также вправо), перемещаются в сторону, создавая ЭДС Холла противоположного знака, –ε . Таким образом, если направление поля и тока известны, знак носителей заряда можно определить по эффекту Холла.

Одним из очень важных способов использования эффекта Холла является определение того, переносят ли ток положительные или отрицательные заряды. Обратите внимание, что на рисунке 1 (b), где положительные заряды переносят ток, ЭДС Холла имеет знак, противоположный тому, когда отрицательные заряды переносят ток.Исторически эффект Холла использовался, чтобы показать, что электроны переносят ток в металлах, а также показывает, что положительные заряды переносят ток в некоторых полупроводниках. Эффект Холла сегодня используется в качестве исследовательского инструмента для исследования движения зарядов, их скорости и плотности дрейфа и т. Д. В материалах. В 1980 году было обнаружено, что эффект Холла квантован, как пример квантового поведения макроскопического объекта.

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, ε , поперек проводника. Рассмотрим баланс сил на движущемся заряде в ситуации, когда B , v и l взаимно перпендикулярны, как показано на рисунке 2. Хотя магнитная сила перемещает отрицательные заряды в одну сторону, они не могут образовывать вверх без ограничений. Электрическое поле, вызванное их разделением, противостоит магнитной силе, F = qvB , и электрическая сила, F _e = qE , в конечном итоге возрастает, чтобы сравняться с ней.То есть

qE = qvB

или

E = vB.

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

[латекс] \ frac {\ epsilon} {l} = vB [/ латекс].

Решение этого для ЭДС Холла дает

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

, где ε — напряжение эффекта Холла на проводнике шириной l , по которому заряды движутся со скоростью v .

Рис. 2. ЭДС Холла ε создает электрическую силу, уравновешивающую магнитную силу движущихся зарядов.Магнитная сила вызывает разделение зарядов, которое накапливается до тех пор, пока не уравновесится электрической силой, равновесие, которое достигается быстро.

Одно из наиболее распространенных применений эффекта Холла — измерение напряженности магнитного поля B . Такие устройства, называемые датчиками Холла , могут быть очень маленькими, что позволяет точно отображать положение. Датчики Холла также можно сделать очень точными, обычно это достигается тщательной калибровкой. Еще одно применение эффекта Холла — измерение потока жидкости в любой жидкости, имеющей свободные заряды (в большинстве случаев).(См. Рис. 3.) Магнитное поле, приложенное перпендикулярно направлению потока, создает ЭДС Холла ε , как показано. Отметим, что знак ε зависит не от знака зарядов, а только от направлений B и v . Величина ЭДС Холла равна, где l — диаметр трубы, так что средняя скорость v может быть определена из ε при условии, что известны другие факторы.

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

Пример 1. Расчет ЭДС Холла: эффект Холла для кровотока

Датчик потока на эффекте Холла помещают на артерию, прикладывая к ней магнитное поле напряжением 0,100 Тл, в установке, аналогичной показанной на рис. 3. Что такое ЭДС Холла при внутреннем диаметре сосуда 4,00 мм и среднем показателе крови скорость 20,0 см / с?

Стратегия

Поскольку B , v и l взаимно перпендикулярны, уравнение ε = Blv может использоваться для нахождения ε .{-3} \ text {m} \ right) \ left (0.200 \ text {m / s} \ right) \\ & = & 80.0 \ text {} \ mu \ text {V} \ end {array} \\ [/ латекс]

Обсуждение

Это среднее выходное напряжение. Мгновенное напряжение зависит от пульсации кровотока. В этом типе измерения напряжение невелико. ε особенно трудно измерить, потому что есть напряжения, связанные с работой сердца (напряжения ЭКГ), которые имеют порядок милливольт. На практике эту трудность преодолевают путем приложения переменного магнитного поля, так что ЭДС Холла является переменным током с той же частотой.Усилитель может быть очень избирательным в выборе только подходящей частоты, устраняя сигналы и шум на других частотах.

Сводка раздела

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

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

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

Концептуальные вопросы

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

Задачи и упражнения

1. Большой водовод имеет диаметр 2,50 м, а средняя скорость воды составляет 6,00 м / с. Найдите напряжение Холла, возникающее, если труба проходит перпендикулярно полю Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ -T.

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

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

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

5. Рассчитайте напряжение Холла, наведенное на сердце пациента при сканировании с помощью аппарата МРТ. Приблизьте проводящий путь на стенке сердца проволокой длиной 7,50 см, которая движется со скоростью 10,0 см / с перпендикулярно точке 1.Магнитное поле 50 Тл.

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

8. Покажите, что напряжение Холла на проводах, сделанных из одного и того же материала, несущих одинаковые токи и находящихся в одном и том же магнитном поле, обратно пропорционально их диаметрам. (Подсказка: подумайте, как скорость дрейфа зависит от диаметра проволоки.)

9. Пациента с кардиостимулятором по ошибке сканируют на МРТ.Отрезок провода кардиостимулятора длиной 10,0 см движется со скоростью 10,0 см / с перпендикулярно магнитному полю аппарата МРТ, при этом индуцируется напряжение Холла 20,0 мВ. Какая напряженность магнитного поля?

Глоссарий

Эффект Холла:

Создание напряжения на проводнике с током с помощью магнитного поля

ЭДС Холла:

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

Избранные решения проблем и упражнения

1.7,50 × 10 ⁻⁴ В

3. (a) 1,18 × 10 ³ м / с (b) После установления ЭДС Холла толкает заряды в одном направлении, а магнитная сила действует в противоположном направлении, что не приводит к действию результирующей силы на заряды. Следовательно, в направлении ЭДС Холла ток не течет. Это то же самое, что и в проводнике с током — ток не течет в направлении ЭДС Холла.

5. 11,3 мВ

7. 1,16 мкВ

9. 2,00 т

Измерение эффекта Холла

Эффект Холла, впервые описанный Эдвином Холлом в 1879 году, приводит к электрическому выходу, когда тонкая металлическая пластина погружается в магнитное поле достаточной силы.Магнитное поле должно быть перпендикулярно электрическому току, проходящему через пластину. Потенциал напряжения эффекта Холла зависит от силы магнитного поля и его угла к пластине.

Измерительная установка для обнаружения потока электронов на выходе эффекта Холла. Приложенная извне магнитная сила инициирует ток в тонкой прямоугольной проводящей пластине. Электроны притягиваются к стороне пластины, к которой приложено положительное напряжение, и отталкиваются от той стороны пластины, к которой приложено отрицательное напряжение.

Если магнитное поле накладывается со стороны проводника, по которому протекает ток, положительные и отрицательные носители заряда будут перемещаться к противоположным сторонам проводника, создавая небольшой, но измеримый потенциал напряжения поперек проводника. Это напряжение наиболее заметно, когда проводник представляет собой тонкую плоскую прямоугольную пластину. Он возникает только при наличии магнитного потока, наложенного извне проводника. Таким образом, узел, не имеющий движущихся частей, может функционировать как датчик приближения, а также как магнитометр.Выходная мощность находится в диапазоне низких милливатт, поэтому для многих приложений он используется вместе с усилителем.

Напряжение эффекта Холла также появляется в отверстии, просверленном в пластине, в ответ на электрический ток, подаваемый на край отверстия. Это второе изменение эффекта Холла проявляется в изменении выходного напряжения (вкл. Или выкл.) В зависимости от полярности магнитного поля. Биполярному датчику, как его еще называют, требуется положительный полюс (южный полюс в соответствии с действующей номенклатурой) для подачи питания на электрическую цепь.Напротив, униполярная схема на эффекте Холла включается и выключается, когда датчик приближается к магнитному полю или покидает его. Здесь снова нет движущихся частей. Единственное, что движется, — это внешнее магнитное поле или все устройство на эффекте Холла. По этой причине, если они не подвержены перенапряжению, устройства на эффекте Холла, как правило, не требуют обслуживания.

Вверху элемент Холла принимает отрицательный заряд на верхнем крае (обозначен синим цветом) и положительный на нижнем крае (красный цвет).Показан поток электронов, а не направление тока. Ниже либо электрический ток, либо магнитное поле меняются местами, в результате чего поляризация меняется на противоположную. Реверсирование как тока, так и магнитного поля (внизу справа) заставляет элемент Холла снова принимать отрицательный заряд на верхнем крае.

Эффект Холла зависит от движения электронов, дырок и / или ионов. В присутствии магнитного поля на носители заряда действует сила Лоренца, F , количественно выраженная как:
F = q ( E + v × B)
Где q — электрический заряд, E — внешнее электрическое поле, v — скорость заряда и B — магнитное поле, все в единицах СИ.

Устройства на эффекте Холла используются во многих приложениях. Примером может служить клещевой амперметр. Без устройства на эффекте Холла этот прибор представляет собой простой трансформатор, нечувствительный к постоянному току. В высококачественные накладные амперметры встроен датчик на эффекте Холла для расширения их функциональных возможностей.

Датчики на эффекте Холла

в настоящее время доступны вместе с усилителями с высоким коэффициентом усиления в одиночных интегральных схемах. Их можно запечатать, чтобы сделать их невосприимчивыми к пыли, грязи, грязи и воде. Без движущихся частей этот узел подходит для автомобильного применения, включая тормозные системы с АБС, спидометры, электронные системы зажигания и впрыска топлива.

Можно построить и настроить датчики

на эффекте Холла для обнаружения магнитного поля Земли. Это свойство используется в некоторых системах GPS. Крошечные датчики на эффекте Холла устанавливаются на печатных платах и ​​используются для обеспечения обратной связи в двигателях с регулируемым приводом. Чувствительность к слабым токам можно повысить, введя в токоведущий провод несколько витков. В стационарных установках можно использовать экранирование для уменьшения влияния магнитного поля земли. Для цепей с большей силой тока используется делитель тока.Он состоит из одного более толстого и одного более тонкого провода, причем более тонкий провод обеспечивает напряжение смещения для устройства на эффекте Холла.

Серводвигатели

часто содержат датчики на эффекте Холла для отслеживания положения ротора. Новейшие экскаваторы-экскаваторы, карьерные самосвалы, краны и ножничные подъемники оснащены джойстиками на эффекте Холла, что исключает необходимость использования гидравлических шлангов, требующих большого технического обслуживания.

Двигатель малой мощности на эффекте Холла используется для приведения в движение некоторых космических кораблей, которые однажды вышли из-под земного притяжения. Магниты на двигателе ускоряют ионизированные атомы.Нейтральное топливо закачивается в камеру, где оно ионизируется электронами, создавая плазму, которая создает достаточную тягу в условиях невесомости.

Теория эффекта Холла, первоначально изложенная в 19 веке, в настоящее время пересматривается, чтобы отразить последние достижения в квантовой физике. Неизменный теоретик Клаус фон Клитцинг обнаружил, что когда в одном слое электронов в полупроводнике одновременно наблюдаются низкая температура и сильное магнитное поле, его внутреннее электронное свойство, холловское сопротивление, возникает исключительно при целых кратных h / e ^2. , теперь называемая постоянной фон Клитцинга.По сути, это квантованная версия эффекта Холла, наблюдаемая в двумерных электронных системах, подверженных воздействию низких температур и сильных магнитных полей, в которых сопротивление Холла R _xy демонстрирует ступеньки, которые принимают квантованные значения на определенных уровнях R _xy. = V _Hall / I _канал = h / e ² v где V _Hall — напряжение Холла, I _канал — ток канала, e — элементарный заряда и ч — постоянная Планка.Делитель ν может принимать как целое число (ν = 1, 2, 3,…), так и дробное (ν = ⅓, ⅖, ³ ⁄ ₇ , ⅔, ³ ⁄ ₅ ,…. .)ценности.

Оказывается, квантованная версия эффекта Холла имеет реальные применения. Квантование проводимости Холла G _xy = 1/ R _xy является чрезвычайно точным. Фактические измерения холловской проводимости оказались целыми или дробными, кратными от e ² / h до почти одной миллиардной доли.Это явление позволило определить новый практический стандарт электрического сопротивления, основанный на кванте сопротивления, задаваемом постоянной фон Клитцинга. Квантовый эффект Холла также обеспечивает чрезвычайно точное независимое определение величины, важной в квантовой электродинамике, называемой постоянной тонкой структуры.

Кстати, исследователи изучали трехмерный квантовый эффект с середины 20-го века, добившись успеха в прошлом году. Разработка представляет собой теоретическую модель электрона, которая, как ожидается, расширит наши знания о трехмерном эффекте Холла.Последняя итерация представляет собой дробную версию, в которой отсутствует магнитное поле. В холодной 2D-системе с сильным приложенным магнитным полем холловское сопротивление движется дискретными шагами. Квантовый эффект Холла нелегко повторить, поскольку энергия распределяется в направлении приложенного магнитного поля.

В 1987 году теоретик Берт Гальперин предположил, что решение может быть найдено, если в электронной структуре материала можно будет открыть брешь. Примерами могут быть индуцированный потенциал решетки или электроны волны зарядовой плотности, падающие в стоячую волну.Это создало бы энергетический разрыв согласно предсказаниям Гальперина:
1. Удельное сопротивление вдоль электрического поля исчезнет, ​​и
2. Удельное сопротивление Холла останется на уровне 2 ч / e ²

Вот чем трехмерные квантовые эффекты Холла будут отличаться от двумерных квантовых эффектов Холла.

Несмотря на последующие исследования, прогнозы Гальперина остаются непроверенными. Проблема заключается в несовместимости 2D и 3D. Простое наложение 2D-материалов не помогло.Кажется, что система сохраняет 2D-характеристики.

Фангдун Тан из Южного научно-технического университета и его коллеги из Китая смогли наблюдать трехмерный квантовый эффект Холла, используя магнитное поле 2 Тл в сочетании с охлаждением 0,6 К. Эксперименты показали подавленное продольное сопротивление вместе с плато Холла на уровне около 2,0 Тл. Поскольку длина волны Ферми была больше, чем постоянная решетки, исследователи смогли заявить, что трехмерный квантовый эффект Холла был вызван большой длиной волны, а не кристаллом. потенциал.Механизм, лежащий в основе наблюдаемого трехмерного квантового эффекта Холла, и объяснение холловского плато при ограниченных уровнях магнитного поля остаются нерешенными. Одно из объяснений состоит в том, что электрон-фононные взаимодействия вызывают эти явления.

После открытия квантового эффекта Холла продолжают появляться новые экспериментальные результаты. Исследователи надеются найти новые материалы, которые продемонстрируют трехмерный квантовый эффект Холла. Две интересные возможности заключаются в том, что трехмерный квантовый эффект Холла будет достигнут при комнатной температуре и без внешнего магнитного поля.

Эффект Холла

Эффект Холла
Далее: Окружной закон Ампера Up: Магнетизм Предыдущая: Заряженная частица в Мы неоднократно заявляли, что расходы на мобильную связь в общепринятый проводящие материалы заряжены отрицательно (по сути, это электроны). Есть ли какие-либо прямые экспериментальные доказательства того, что это правда? Собственно, есть. Мы можем использовать явление, называемое эффектом Холла , чтобы определить, подвижные заряды в данном проводнике заряжены положительно или отрицательно.Исследуем этот эффект.

Рассмотрим тонкую плоскую однородную ленту из проводящего материала, которая ориентирован так, чтобы его плоская сторона была перпендикулярна однородному магнитное поле — см. рис. 26. Предположим, что мы пропускаем ток по длине ленты. Есть две альтернативы. Либо нынешний несет положительный заряд двигаясь слева направо (на рисунке), или его переносят отрицательные заряды, движущиеся в противоположном направлении.

Предположим, что ток переносится положительными зарядами, движущимися слева направо.Эти обвинения отклоняются вверх (на рисунке) магнитным полем. Таким образом, верхний край ленты становится заряжен положительно, тогда как нижний край становится отрицательно заряженным. Следовательно, существует положительная разность потенциалов между верхними и нижние края ленты. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла .

Предположим теперь, что ток переносится отрицательными зарядами. двигаясь справа налево.Эти заряды также отклоняются вверх на магнитным полем. Таким образом, верхний край ленты становится отрицательно заряженной, а нижний край становится положительно заряженный. Отсюда следует, что напряжение Холла (, т.е. , разность потенциалов между верхним и нижним краями ленты) в этом случае отрицательное .

Рисунок 26: Эффект Холла для положительных носителей заряда (слева) и отрицательных носители заряда (справа).

Понятно, что можно определить знак мобильных зарядов в токопроводящий проводник путем измерения напряжения Холла. Если напряжение положительный, то заряды мобильных устройств положительны (при условии, что магнитное поле и ток ориентированы, как показано на рисунок), тогда как если напряжение отрицательный, то мобильные заряды отрицательны. Если бы мы должны были выполнить В этом эксперименте мы обнаружим, что подвижные заряды в металлах всегда отрицательны (потому что они электроны).Однако в некоторых типах полупроводников подвижные заряды оказались положительными. Эти носители положительного заряда называются дырками и . Дырки фактически лишены электронов в атомной решетке полупроводник, но они действуют как положительные заряды.

Давайте исследуем величину напряжения Холла. Предположим, что мобильный каждый из зарядов обладает зарядом и движется по ленте вместе с скорость дрейфа . Магнитная сила, действующая на данный мобильный заряд имеет величину, так как заряд движется существенно перпендикулярно магнитному полю.В установившемся состоянии эта сила уравновешивается электрической силой из-за накопления зарядов по верхнему и нижнему краю ленты. Если напряжение Холла , а ширина ленты равна, то электрическая поле, указывающее от верхнего края к нижнему краю ленты, величины. Теперь электрическая сила на мобильном заряде является . Эта сила действует против магнитной силы. В стационарном состоянии

(169)

давая

(170)

Обратите внимание, что напряжение Холла прямо пропорционально величине магнитное поле.Фактически это свойство Напряжение Холла используется в приборах, называемых датчиками Холла , которые используются для измерения напряженности магнитного поля.

Предположим, что толщина проводящей ленты равна, и что она содержит мобильные носители заряда на единицу объема. Отсюда следует, что полный ток протекающий через ленту можно написать

(171)

поскольку все мобильные заряды содержатся в прямоугольном объеме длиной, шириной , и толщина, обтекают заданную точку на ленте за одну секунду.Комбинируя уравнения. (170) и (171), получаем

(172)

Понятно, что напряжение Холла пропорционально току, протекающему через лента, и напряженность магнитного поля, и обратно пропорциональна плотности подвижных зарядов в ленте и толщине лента. Таким образом, для создания чувствительного зонда Холла (, т. Е. , что дает большое напряжение Холла в наличие небольшого магнитного поля), нам нужно взять тонкую ленту некоторый материал, который имеет относительно мало мобильных зарядов на единицу объем ( у.е.грамм. , полупроводник), а затем пропустить через него большой ток.

---

Далее: Окружной закон Ампера Up: Магнетизм Предыдущая: Заряженная частица в

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Технология датчика Холла

| Allegro MicroSystems

Эффект Холла назван в честь Эдвина Холла, который в 1879 году обнаружил, что потенциал напряжения возникает на токопроводящей проводящей пластине, когда магнитное поле проходит через пластину в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, как показано на верхнем рисунке. панель рисунка 1.Синие стрелки B обозначают магнитное поле, проходящее перпендикулярно через проводящую пластину. Эта конфигурация называется планарным датчиком на эффекте Холла.

Фундаментальный физический принцип, лежащий в основе эффекта Холла, — это сила Лоренца. Когда электрон движется в направлении v, перпендикулярном приложенному магнитному полю B, он испытывает силу F, перпендикулярную приложенному полю и току. В ответ на эту силу электроны движутся по изогнутой траектории вдоль проводника (элемента Холла).Из-за этого на пластине возникает чистый заряд и, следовательно, напряжение. Благодаря этому свойству эффект Холла используется в качестве магнитного датчика.

Интегральные схемы (ИС) датчика Холла Allegro

включают элемент Холла с другими схемами, такими как операционные усилители и компараторы, для изготовления цифровых датчиков положения и датчиков скорости, а также датчиков линейного перемещения и угла с аналоговыми выходами.

Во многих случаях микросхемы магнитных датчиков Allegro также включают в себя запатентованную упаковку, которая включает магнит с обратным смещением, позволяющий датчику определять местоположение железной (магнитной) цели, а не внешнего магнитного поля.Мишень, например стальная шестерня, изменяет магнитное поле встроенного магнита. Дифференциальное зондирование и расширенные алгоритмы используются для оптимизации производительности и компенсации динамических или внезапных изменений воздушного зазора, вибрации и механических допусков.

Посмотрите видео, чтобы узнать больше о нашей передовой технологии датчиков скорости:

Датчики

на эффекте Холла также подходят для бесконтактного измерения тока, поскольку ток в проводнике создает магнитное поле, пропорциональное величине тока.Уникальная упаковка позволяет создавать гальванически изолированные ИС для измерения тока с малой площадью основания и очень низкими вносимыми потерями.

С момента своего создания компания Allegro стала пионером в нескольких крупных достижениях в области ИС датчиков на эффекте Холла, включая стабилизацию прерывателя, технологию вертикального эффекта Холла, кольцевые вертикальные матрицы Холла (CVH) и ненавязчивую высокоскоростную диагностику оборудования.

Эффект Холла | Encyclopedia.com

Важность эффекта Холла

Ресурсы

Эффект Холла в физике — это разность потенциалов, которая возникает на противоположных сторонах проводящего материала при наличии электрического тока, таким образом создавая магнитное поле, перпендикулярное направлению Текущий.

Тело с током, помещенное в магнитное поле (с направлением тока, не совпадающим с полем), испытывает силу, приводящую к кратковременному боковому дрейфу носителей тока. Этот дрейф продолжается до тех пор, пока сила не уравновесится электрическим полем, создаваемым зарядом, накапливающимся в точках на поверхности тела в направлении дрейфа. В точках на поверхности тела, противоположных направлению дрейфа, очевидно, будет одинаковое истощение заряда, что эквивалентно накоплению заряда противоположного знака.Электрическое поле, создаваемое этим переходным режимом, называется полем Холла и приводит к разности потенциалов между соответствующими

КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Электрический ток — Поток носителей заряда, таких как электроны и дырки, направление которого определяется как направление несущие, если положительные, и противоположные носители, если отрицательные.

Электрическое поле — Сила на единицу заряда, действующая на заряженное тело, когда оно находится рядом с электрическими зарядами.Направление поля такое же, как у силы, действующей на положительный заряд, или противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Отверстие — Электронная вакансия в решеточной структуре полупроводника, вызванная атомом примеси с одним электроном меньше, чем необходимо для полной связи со структурой. Дырки могут дрейфовать через решетку под действием электрического поля, как если бы они были положительно заряженными частицами.

Магнитное поле — Сила на единицу силы полюса, действующая на магнитный полюс при размещении вблизи магнита.Направление поля такое же, как у силы на северном полюсе, или противоположно направлению силы на южном полюсе. Чтобы обеспечить испытательный полюс для измерения поля, необходимо использовать длинный магнит так, чтобы его северный и южный полюса находились достаточно далеко друг от друга, чтобы их можно было считать изолированными.

Разность потенциалов — Энергия на единицу заряда, которая необходима для перемещения положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом.

Полупроводник — Материал, электрическая проводимость которого находится на полпути между проводником и изолятором и которая увеличивается с температурой, например кремний или германий.

очков на двух противоположно заряженных поверхностях. Знак носителей заряда определяет, какая из двух поверхностей имеет более высокий потенциал. Если носители положительны, поверхность в направлении их дрейфа будет иметь более высокий потенциал; если носители отрицательны, поверхность в направлении их дрейфа будет иметь более низкий потенциал. Описанное таким образом явление называется эффектом Холла в честь Эдвина Герберта (Э. Х.) Холла (1855–1938), который открыл его в 1879 году.

Чуть более века спустя его открыл немецкий физик Клаус фон Клитцинг (1943–) что потенциал Холла в полупроводниковом материале испытывает квантовые скачки, когда магнитное поле увеличивается при воздействии температур намного ниже комнатной.Это замечательное открытие позволило измерить важную физическую константу, называемую постоянной тонкой структуры, с недостижимой до сих пор точностью. Кроме того, он предоставляет ученым легко достижимый стандарт для точного определения проводимости. За это открытие фон Клитцинг был удостоен Нобелевской премии в 1985 году.

Огромное значение для сегодняшних технологий имеет класс материалов, способность которых проводить электрический ток возрастает с температурой и чьи носители заряда могут быть положительными или отрицательными, в зависимости от внесенная в них примесь.Эти материалы называются полупроводниками, яркими примерами которых являются элементы кремний и германий. Когда этим элементам присваиваются следы соответствующего примесного элемента, они могут быть преобразованы в p-тип (содержащий положительные носители, называемые дырками) или n-тип (содержащий отрицательные носители, называемые электронами). Затем эффект Холла используется для подтверждения того, с каким типом материала мы имеем дело. Кроме того, измеряя потенциал Холла, ток, магнитное поле и геометрию образца, легко вычислить количество носителей заряда на единицу объема в испытуемом материале.

В 1940-х годах было обнаружено, что с этими двумя разными типами полупроводников могут быть образованы переходы, через которые ток может течь только в одном направлении. Устройства такого типа называются выпрямителями или диодами и имеют жизненно важное значение для преобразования переменного тока в постоянный, добавления или удаления аудио- и видеосигналов из их несущих волн и многих других приложений. Также было обнаружено, что в одном устройстве может быть сформировано более двух переходов, и они были названы транзисторами.Эти устройства можно было использовать в схемах усилителей и генераторов в радиоприемниках и телевизорах. Раньше в выпрямителях, усилителях и генераторах в качестве основных компонентов использовались электронные лампы, которые, как правило, были громоздкими, потребляли много энергии и часто перегорали. У новых полупроводниковых приборов не было ни одной из этих проблем.

В 1950-х и 1960-х годах научились создавать множество транзисторных схем на небольшом кристалле с использованием интегральных схем. Без этой новой технологии были бы невозможны мощные компьютеры, которые использовались в космической программе Соединенных Штатов и теперь повсеместно встречаются в виде компактных персональных компьютеров, сотовых телефонов и других электронных устройств.Что еще более важно, без открытия эффекта Холла и его использования в научных исследованиях полупроводниковых материалов эта последовательность разработок не могла бы даже начаться. Наконец, с открытием его крупномасштабного квантового поведения, будущая роль эффекта Холла в развитии науки и технологий может в конечном итоге оказаться даже больше, чем его роль в прошлом.

КНИГИ

Фолан, Лоркан М. Современная физика и технологии для студентов .Ривер Эдж, Нью-Джерси: World Scientific, 2003.

Ramsden, Ed. Датчики на эффекте Холла: теория и приложения . Амстердам и Бостон, Массачусетс: Elsevier / Newnes, 2006.

Тейлор, Джон Роберт. Современная физика для ученых и инженеров . Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл, 2004.

Янг, Хью Д. Физика Сирса и Земанского университета . Сан-Франциско, Калифорния: Pearson Addison Wesley, 2004.

Frederick L. Culp

Датчик эффекта Холла и его роль в контроллере двигателя

Датчик Холла — широко используемый датчик, который обеспечивает обратную связь по положению ротора с контроллером двигателя.Давайте поймем значение этого датчика в системе управления автомобильным двигателем.

Система управления двигателем BLDC представляет собой сложную схему, в которой несколько компонентов работают в тандеме, чтобы заставить двигатель двигаться желаемым образом. Эффективность, долговечность и производительность — вот атрибуты, которые больше всего волнуют инженеров при проектировании такой системы.

В то время как магниты и катушки заботятся об электрическом аспекте, микроконтроллер действует как мозг, который управляет двигателем.Но даже самый острый мозг нуждается в сенсорной информации.

Два сенсорных входа, которые здесь имеют большое значение, — это Speed ​​ и Position . Давайте разберемся с ними в контексте коммутации двигателей.

---

Коммутация — это процесс переключения тока в фазах двигателя для облегчения вращения двигателя.

В щеточных двигателях щетки контактируют с коммутатором и переключают ток для движения двигателей.Двигатели BLDC не имеют щеток; таким образом, они должны приводиться в движение электронным способом с помощью системы управления двигателем.

Контроллер двигателя BLDC подает прямоугольные сигналы (напряжение) на магниты ротора и создает магнитное поле, которое приводит в движение двигатель.

---

Важность скорости и положения ротора при коммутации двигателя:

Коммутация в двигателе BLDC — это 6-этапный процесс . 3-фазный Н-мост используется для создания 6 векторов потока по , каждый из которых вызывает вращение двигателя на 60 градусов (соответствует следующему положению), таким образом совершая полный оборот на 360 градусов.

• Чтобы привести двигатель в движение, контроллер двигателя пропускает ток через катушку статора. Это создает магнитное поле, которое, в свою очередь, развивает крутящий момент на роторе (постоянный магнит). В результате ротор начинает двигаться.
• Теперь, если ротор приближается к движущемуся магнитному полю, ротор будет иметь тенденцию останавливаться из-за изменения полярности. В этом случае магнитное поле начнет притягивать ротор и останавливать движение. Чтобы избежать этого, система управления двигателем переключает ток, подаваемый на статор, и создается новое магнитное поле, и ротор продолжает свое движение.Таким образом, процесс коммутации сводится к переключению тока в правом экземпляре .
• Понятие скорости и положения входит в картину, поскольку этот «правый экземпляр» необходимо распознавать, когда он прибывает.
• Датчик необходим для обратной связи с системой управления двигателем, указывающей, когда ротор достиг желаемого положения. Если коммутация выполняется быстрее или медленнее, чем скорость ротора, магниты не синхронизируются с магнитным полем статора.Это заставляет ротор вибрировать и останавливаться вместо вращения.
• После одной коммутации необходимо определить положение ротора относительно статора, чтобы можно было инициировать следующую коммутацию. Следовательно, определение местоположения также является важным параметром.

В производстве электродвигателей используется множество типов датчиков, таких как энкодеры, переключатели и потенциометры. Однако наиболее широко используемый и применяемый датчик — это датчик Холла .

В следующих разделах мы подробно поговорим о датчике Холла и его роли в системе управления двигателем.

Что такое датчик Холла?

Датчик на эффекте Холла — это, по сути, преобразователь, основанный на принципе эффекта Холла.

Эффект получения измеримого напряжения, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, называется эффектом Холла.

Проще говоря, напряжение создается на электрическом проводнике, когда к нему прикладывается магнитное поле в направлении, перпендикулярном потоку тока.

Датчик Холла — это твердотельное устройство, которое применяет этот принцип для определения положения, скорости и различных других атрибутов, необходимых для эффективной работы двигателя BLDC.

Увеличенный вид датчика Холла

Через полосу Холла постоянно проходит небольшой ток. Как уже упоминалось, переменное поле от этого магнита ротора будет создавать напряжение на полосе Холла. Затем напряжение подается на цифровую схему (показанную на диаграмме выше), которая, в свою очередь, выдает цифровой сигнал в качестве выхода датчика Холла.

Как работает датчик эффекта Холла в двигателе BLDC

Обычно двигатель BLDC имеет три датчика Холла, установленных на роторе или статоре. Эти датчики Холла расположены на расстоянии 120 градусов друг от друга, что дает угловое положение от 0 до 360 градусов.

Когда эти датчики Холла входят в контакт с магнитным полем ротора, он генерирует соответствующий цифровой импульс в единицах 1 и 0, как показано на схеме ниже.

За шесть шагов эти датчики Холла могут определять положение двигателя (угол).На диаграмме прямоугольные формы сигналов демонстрируют положительный и отрицательный импульс, генерируемый под соответствующим углом всеми тремя датчиками эффекта Холла — A, B и C.

Соответствующий график также показывает, как одна коммутация завершается за 6 шагов, когда угол достигает 360 градусов.

Следующее объяснение внесет большую ясность.

Когда магнит ротора пересекает один из датчиков, он выдает низкий или высокий сигнал в зависимости от того, прошел ли он через северный полюс или южный полюс ротора.Когда ротор пересекает все три датчика, эти датчики переключаются между низким и высоким, таким образом, выявляя положение ротора каждые 60 градусов.

На схеме ниже показан типичный контроллер двигателя BLDC. Три линии, идущие от двигателя к контроллеру, отображают сигнал, посылаемый тремя датчиками Холла.

Датчик на эффекте Холла может различать положительный и отрицательный заряд, движущийся в противоположном направлении. Магнитное поле, обнаруженное датчиком на эффекте Холла, преобразуется в подходящий аналоговый или цифровой сигнал, который может быть считан электронной системой, обычно системой управления двигателем.

Ниже представлена ​​таблица истинности, полученная на основе показаний трех датчиков Холла. Как видите, состояние транзистора H-моста зависит от сигнала, обнаруживаемого датчиком. Стрелка вниз показывает движение по часовой стрелке (CW), а стрелка вверх показывает движение против часовой стрелки (CCW).

Теперь, когда у нас есть таблица истинности и график, угол (положение) и скорость ротора можно легко вычислить.

Преимущества использования датчика Холла в контроллере двигателя BLDC

• Датчик Холла — это очень простое устройство, состоящее из магнитов, поэтому оно очень экономично для систем управления двигателями.
• По той же причине эти датчики легко внедрить в передовые системы управления двигателями для электромобилей и других автомобильных решений.
• Большинство двигателей BLDC оснащены этими датчиками.
Датчики на эффекте Холла
• в основном невосприимчивы к таким условиям окружающей среды, как влажность, температура, пыль и вибрация.

Завершение

Многое происходит внутри системы управления двигателем BLDC. Есть алгоритм FOC, схемы H-Bridge, эффективная коммутация и многое другое.Среди множества компонентов внутри системы управления двигателем BLDC очень маленький и скромный датчик — датчик эффекта Холла — дает о себе знать.

Будучи экономичными и простыми в использовании, эти датчики сделали новые решения для управления двигателями BLDC более эффективными и удобными в использовании в автомобильной промышленности.

Посмотрите это пространство, чтобы узнать о других таких компонентах, которые играют жизненно важную роль в контроллере двигателя BLDC.