Эффект Холла относится к ситуации, когда сила Лоренца действует на электроны, движущиеся в проводнике, так что между двумя сторонами проводника возникает разность потенциалов, т.е. напряжение.
Эффект Холла: что это такое, формулы, применение
В этой статье вы узнаете, что такое эффект Холла и как он применяется на практике. Вы также узнаете, как извлечь напряжение Холла, и получите практический пример расчета. Наконец, мы рассмотрим другие разновидности эффекта Холла, такие как квантовый эффект Холла.
Эффект Холла был продемонстрирован Эдвином Холлом в 1879 году. Как вы, возможно, уже знаете, сила Лоренца действует на движущийся заряд в магнитном поле.
Эффект Холла — это возникновение разности потенциалов на концах образца в электрическом проводнике (напряжение Холла), находящемся в поперечном магнитном поле, когда ток течет перпендикулярно полю.
Википедия
В результате возникает электрическое напряжение, которое падает как в направлении протекающего тока, так и в направлении магнитного поля в проводнике и известно как напряжение Холла.
Физическое объяснение эффекта Холла
При приложении напряжения к электрическому проводнику, в данном случае к образцу, возникает электрический ток. Электроны движутся вдоль проводника со средней скоростью v, также называемой скоростью скольжения. Если образец находится в постоянном магнитном поле, то на электроны действует сила Лоренца. Это вызывает отклонение электронов перпендикулярно движению. Это приводит к избытку электронов на отклоненной стороне и соответствующему недостатку электронов на противоположной стороне.
Вы можете представить себе это разделение заряда подобно разделению заряда в конденсаторе. Поскольку положительно и отрицательно заряженные стороны теперь находятся напротив друг друга, создается электрическое поле. Это электрическое поле оказывает на электроны силу, противоположную силе Лоренца. Когда эти две силы аннулируют друг друга в одинаковой степени, усиление разделения зарядов заканчивается.
Как и в случае с конденсатором, можно получить напряжение. Это электрическое напряжение называется напряжением Холла. Это напряжение Холла линейно возрастает с увеличением магнитного поля и соответственно пропорционально плотности носителей заряда. Это объясняется тем, что постоянная сила тока при меньшем количестве носителей заряда может быть достигнута только за счет большей скорости отдельных носителей заряда. Более мощная сила Лоренца действует на более быстрые носители заряда, что увеличивает напряжение Холла.
Вычисление напряжения Холла
Чтобы понять вывод напряжения Холла, необходимо базовое понимание векторного исчисления.
Здесь представлен обзор расчета напряжения Холла. Он применим только к одному типу носителей заряда, например, к металлическим образцам.
Сила Лоренца, действующая на проводник в магнитном поле, задается следующим образом:
Где сила Лоренца — F, q — электрический заряд, v — скорость, а магнитное поле — B. Эффект Холла создает электрическое поле E, которое отменяет отклоняющую силу магнитного поля. Поэтому:
Для простоты зададим систему координат так, чтобы носители заряда двигались в направлении x, а магнитное поле действовало в направлении z. v = ( vx, 0, 0, 0 ) и B = ( 0, 0, BzПосле деления на q получается y-компонента:
Плотность тока J в проводнике выражается как J = n*q* v, для плотности носителей заряда n. Если мы преобразуем это уравнение в vxи подставив его в вышеприведенное уравнение, получим:
Мы определили коэффициент Холла AHкоторый характеризует силу эффекта Холла.
Поскольку вы уже знаете, что можно рассматривать разделение зарядов аналогично конденсатору, для простоты можно использовать следующие обозначения:
Плотность тока в этом случае может быть выражена как jx= I / b*d, где I — сила тока, b — ширина проводника и d — толщина проводника. Если подставить оба выражения, то получится следующее выражение для напряжения Холла:
В чем суть, как объяснить простыми словами
Описание рабочего механизма: На проводник подается электрический ток, затем к его концам подключается гальванометр. Затем электромагнит активируется таким образом, чтобы линии поля были перпендикулярны плоскости пластины.
Таким образом, должны быть выявлены условия для изменений в потоке тока. Так, было установлено, что заряд на тонкой золотой пластине равномерно распределяется по всей поверхности при подаче электрического тока. Однако, как только подается ток, заряд переносится на края и создается разность потенциалов.
На основе этого открытия впоследствии были построены одноименные датчики.
Какие бывают разновидности эффекта Холла
Этот эффект проявляется в трех вариантах:
- аномальный;
- квантовый;
- спиновой.
Аномальный эффект может возникать в ненамагниченных материалах. Другими словами, это метод, в котором возникновение напряжения не связано с воздействием магнитного поля. Необходимым условием для наблюдения этого явления является нарушение инвариантности обращения времени в системе.
Квантовый эффект Холла отличается тем, что он проявляется только в сильно намагниченных полях, что приводит к радикальной перестройке внутренней структуры двумерной электронной жидкости.
Спин-эффект Холла наблюдается в ненамагниченных проводниках, которые не двигались в поле действия потенциальных линий магнита. Значение этого явления заключается в том, что электроны с противоположными спинами отклоняются к противоположным концам пластины.
Применение эффекта Холла на практике
Этот метод позволил рассчитать количество носителей заряда на единицу объема и их подвижность при измерении напряженности магнитного поля. Он используется для изготовления гусеничных двигателей. Применение этого метода позволяет измерить угол поворота вала двигателя.
Датчики Холла также используются в стартерах электродвигателей, системах охлаждения компьютеров, жестких дисках и компьютерных вентиляторах. Они используются в двигателях мобильных и бытовых приборов, а также в измерительных устройствах, поскольку могут преобразовывать магнитную индукцию в разность потенциалов.
Одним из главных преимуществ этих датчиков является их удобство и безопасность, которая достигается благодаря электрической изоляции. Датчики изготавливаются из таких металлов, как германий и кремний. Их сплавляют с мышьяком или фосфорной сурьмой.
Материал должен обладать высокой подвижностью носителей заряда. Чтобы быть максимально эффективным, материал не должен обладать высокой электропроводностью. Одним из преимуществ этих устройств является их низкая зависимость от колебаний температуры.
Аномальный ЭХ
Существуют случаи, когда ЭКС может быть обнаружен на пластине без магнитного потока, проходящего через пластину. Это возможно, если симметрия нарушена в смысле обращения времени в системе. В частности, аномальные ЭХ могут возникать в намагниченных материалах.
В двумерных газах со средним расстоянием между частицами, которое уменьшается при уменьшении отношения поперечного сопротивления магнитному полю к значению длины де Бройля, в поперечном сечении возникает плато сопротивления. ЭКС поддается количественному измерению только в сильных магнитных полях.
Магнитные потоки с большей интенсивностью индукции имеют нарушенный квантовый ЭК, что связано с перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.
Спиновый ЭХ
ЭСТ можно наблюдать в ненамагниченных проводниках, которые не перемещались в пределах эффективного диапазона магнитного силового поля. Суть явления заключается в отклонении электронов с противоположным спином к противоположным концам пластины.
Применение метода Холла связано с изучением свойств полупроводников. Это позволило рассчитать количество носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. Это делает реальным отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.
EX всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Прибор предназначен для измерения интенсивности магнитного поля. Они используются в конструкции гусеничных двигателей. В двигателях они действуют как датчики обратной связи. Они могут измерять угол поворота вала двигателя.
Датчики Холла устанавливаются в пускателях для электродвигателей, в системах охлаждения компьютеров, в навигационных системах для мобильных телефонов и в измерительных приборах для расчета нагрузки.
Все датчики — разные
Существует два основных типа датчиков Холла — цифровые датчики, которые делятся на униполярные и биполярные. А также аналоговые датчики.
Если вы хотите использовать датчик Холла в своем проекте, вам необходимо подробно разобраться в его основных характеристиках. Датчики имеют ограниченный диапазон частот, и некоторые из них могут быть очень дорогими. Компания Melexis, например, имеет устройство с частотой 250 кГц, что гораздо выше, чем у большинства аналогичных систем. Он работает только при напряжении 5 В и токе 15 мА.
Пример в техническом описании показывает, что существует две версии этого преобразователя — версия 7,5 мТл (миллитесла) и версия 20 мТл. Существует даже версия 60 мТ.
Датчики Холла могут быть интегрированы в электронные схемы. Например, ESP32 имеет собственный датчик Холла, как показано на видео выше.
Синфазное напряжение
Другим важным применением датчиков Холла является измерение токов при высоких напряжениях. В схеме резисторного датчика тока дифференциальный усилитель измеряет разницу между напряжениями на одной и другой стороне резистора. Проблема возникает, когда эти напряжения велики по сравнению с потенциалом земли:
Реальные усилители имеют ограниченный «синфазный диапазон», что означает, что устройство не будет работать должным образом, если разница между входными напряжениями мала, а разница между ними и землей слишком велика. Фазы входного напряжения токоизмерительных усилителей обычно не превышают 80 или 100 В. Датчики Холла, с другой стороны, могут преобразовывать ток в напряжение без привязки к потенциалу земли измеряемой цепи. Пока напряжение недостаточно высоко, чтобы вызвать физическое повреждение, фазное напряжение не влияет на работу датчика Холла.
