Адиабатичен отрицателен и положителен ефект на Хол

В проводник с ток, поставен в магнитно поле, се индуцира напрежение в посока, перпендикулярна на посоките на електрическия ток и магнитното поле. Явлението поява на такова напрежение се нарича ефект на Хол, а самото индуцирано напрежение се нарича напрежение на Хол.

През 1879 г. американският физик Едуин Хол (1855-1938), докато работи върху дисертацията си, открива интересен ефект. Той взе тънка златна плоча, по която тече постоянен електрически ток, и я постави в магнитно поле, перпендикулярно на равнината на плочата. В този случай между ръбовете на плочата се появи допълнително електрическо поле. По -късно това явление е кръстено на откривателя. Ефектът на Хол е намерил широко приложение: използва се за измерване на индукцията на магнитно поле (сензори на Хол), както и за изследване на физическите свойства на проводимите материали (използвайки ефекта на Хол, може да се изчисли концентрацията на токови носители и техния знак).

Сензорен модул за токов ефект на Хол ACS712 5A

Има два вида носители на електрически ток — положителни носители, движещи се в една посока, и отрицателни носители, движещи се в обратна посока.

Отрицателните носители, движещи се в определена посока през магнитно поле, изпитват сила, която има тенденция да отклонява движението им от права пътека. Положителните носители, пътуващи в обратна посока през същото магнитно поле, се отклоняват в същата посока като отрицателните носители.

В резултат на такова отклонение на всички носители на ток под въздействието на силите на Лоренц към същата страна на проводника се установява градиент на населеност на носителя, а от едната страна на проводника броят на носителите на единица обем ще бъде по -голям от от друга.

Фигурата по -долу илюстрира цялостния резултат от този процес, когато има равен брой носители от два типа.

Тук потенциалните градиенти, генерирани от носители от два типа, са насочени един срещу друг, така че тяхното влияние не може да бъде открито, когато се наблюдава отвън. Ако носителите от един тип са по -многобройни от носителите от друг тип, тогава градиентът на населението на носителя генерира потенциал на градиент на Хол, в резултат на което напрежението на Хол, приложено към проводника, може да бъде открито.

Адиабатичен отрицателен ефект на Хол. Ако само електроните са носители на заряд, тогава температурният градиент и градиентът на електрическия потенциал са насочени в противоположни посоки.

Ефект на адиабатната зала. Ако само дупките са носители на заряд, тогава температурният градиент и градиентът на електрическия потенциал са насочени в една и съща посока

Ако токът през проводника под въздействието на напрежението на Хол е невъзможен, тогава между от силите на Лоренц и чрез напрежението на Хол се установява равновесие.

В този случай силите на Лоренц са склонни да създават градиент на населението на носителя по проводника, докато напрежението на Хол има тенденция да възстанови равномерно разпределение на населението по целия обем на проводника.

Силата (напрежение на единица дебелина) на електрическото поле на Хол, насочено перпендикулярно на посоките на d тока и магнитното поле, се определя по следната формула:

Fз = КзVJ,

където К.з — коефициент на Хол (неговият знак и абсолютната стойност могат да варират значително в зависимост от специфичните условия); B — магнитна индукция и J Е плътността на тока, протичащ в проводника (стойността на тока на единица от площта на напречното сечение на проводника).

Фигурата показва лист материал, който провежда силен ток i, когато краищата му са свързани към батерия. Ако измерим потенциалната разлика между противоположните страни, това ще ни даде нула, както е показано на фигурата вляво. Ситуацията се променя, когато магнитното поле В се прилага перпендикулярно на тока в листа, ще видим, че между противоположните страни се появява много малка потенциална разлика VЗкакто е показано на фигурата вдясно.

Определението «адиабатичен» се използва за описване на условия, когато няма топлинни потоци отвън към разглежданата система или извън нея.

От двете страни на проводника има слоеве изолационен материал, за да се предотврати потока на топлина и ток в напречната посока.

Тъй като напрежението на Хол зависи от неравномерното разпределение на носителите, то може да се поддържа вътре в тялото само ако енергията се подава от някакъв източник, външен за тялото. Тази енергия идва от електрическо поле, което създава начален ток в веществото. В галваномагнитно вещество се установяват два потенциални градиента.

Първоначалният потенциален градиент се дефинира като начална плътност на тока, умножена по съпротивлението на веществото, а потенциалният градиент на Хол се определя като начална плътност на тока, умножена по коефициента на Хол.

Тъй като тези два градиента са взаимно перпендикулярни, можем да разгледаме тяхната векторна сума, чиято посока ще бъде отклонена под някакъв ъгъл от посоката на първоначалния ток.

Този ъгъл, чиято стойност се определя от съотношението на силите на електрическото поле, ориентирано по посоката на тока, и електрическото поле, генерирано по посоката на тока, се нарича ъгъл на Хол. Тя може да бъде положителна или отрицателна по отношение на посоката на тока, в зависимост от това кои носители са доминиращи — положителни или отрицателни.

Сензор за близост на ефекта на Хол

Ефектът на Хол се основава на механизма на влияние на носител с преобладаваща соленост, който зависи от общите физични свойства на проводящото вещество. За метали и n-тип полупроводници електроните са носители, за p-тип полупроводници-дупки.

ЗДупките, които носят тока, се отклоняват към същата страна на проводника като електроните. Ако дупките и електроните имат една и съща концентрация, те генерират две противоположни напрежения на Хол. Ако техните концентрации са различни, тогава едно от тези две напрежения на Хол преобладава и може да бъде измерено.

За положителни носители напрежението на Хол, необходимо за противодействие на отклоненията на носителя под въздействието на силите на Лоренц, е противоположно на съответното напрежение за отрицателни носители. В металите и полупроводниците от n-тип това напрежение може дори да промени знака, когато външното поле или температурата се променят.

Холов сензор е електронно устройство, предназначено да открива ефекта на Хол и да преобразува резултатите му в данни. Тези данни могат да се използват за включване и изключване на вериги, могат да бъдат обработвани от компютър и могат да предизвикат различни ефекти, предоставени от производителя на устройството и софтуера.

На практика сензорите на Хол са прости, евтини микросхеми, които използват магнитни полета за откриване на променливи като подход, скорост или изместване на механична система.

Датчиците на Хол са безконтактни, което означава, че не трябва да влизат в контакт с никакви физически елементи.Те могат да генерират цифров или аналогов сигнал, в зависимост от техния дизайн и предназначение.

Сензорите за ефекта на Хол могат да бъдат намерени в мобилни телефони, GPS устройства, компаси, твърди дискове, безчеткови двигатели, фабрични монтажни линии, автомобили, медицински устройства и много приспособления за Интернет на нещата.

Приложение за ефект на Хол: Сензори на Хол и Измерване на магнитни величини