Adiabatyczny ujemny i dodatni efekt Halla

W przewodzie z prądem umieszczonym w polu magnetycznym indukowane jest napięcie w kierunku prostopadłym do kierunków przepływu prądu elektrycznego i pola magnetycznego. Zjawisko pojawienia się takiego napięcia nazywane jest efektem Halla, a samo indukowane napięcie napięciem Halla.

W 1879 roku amerykański fizyk Edwin Hall (1855-1938) podczas pracy nad swoją rozprawą odkrył ciekawy efekt. Wziął cienką złotą płytkę przewodzącą prąd stały i umieścił ją w polu magnetycznym prostopadłym do płaszczyzny płytki. W tym przypadku między krawędziami płytki pojawiło się dodatkowe pole elektryczne. Później zjawisko to nazwano imieniem odkrywcy. Efekt Halla znalazł szerokie zastosowanie: służy do pomiaru indukcji pola magnetycznego (czujniki Halla), a także do badania właściwości fizycznych materiałów przewodzących (za pomocą efektu Halla można obliczyć koncentrację nośników prądu i ich znak).

Moduł czujnika efektu Halla ACS712 5A

Istnieją dwa rodzaje nośników prądu elektrycznego — nośniki dodatnie poruszające się w jednym kierunku i nośniki ujemne poruszające się w przeciwnym kierunku.

Nośniki ujemne poruszające się w określonym kierunku w polu magnetycznym doświadczają siły, która ma tendencję do odwracania ich ruchu od prostej ścieżki. Nośniki dodatnie poruszające się w przeciwnym kierunku przez to samo pole magnetyczne są odchylane w tym samym kierunku co nośniki ujemne.

W wyniku takiego odchylenia wszystkich nośników prądu pod wpływem sił Lorentza na tę samą stronę przewodnika ustala się gradient populacji nośników, a po jednej stronie przewodu liczba nośników przypadająca na jednostkę objętości będzie większa niż na inne.

Poniższy rysunek ilustruje ogólny wynik tego procesu, gdy liczba przewoźników dwóch typów jest równa.

Tutaj gradienty potencjału generowane przez nośniki dwóch typów są skierowane przeciwko sobie, tak że ich wpływu nie można wykryć obserwując z zewnątrz. Jeżeli nośników jednego typu jest więcej niż nośników innego typu, to gradient populacji nośników generuje potencjał gradientu Halla, w wyniku którego można wykryć napięcie Halla przyłożone do przewodu.

Adiabatyczny ujemny efekt Halla. Jeśli tylko elektrony są nośnikami ładunku, to gradient temperatury i gradient potencjału elektrycznego są skierowane w przeciwnych kierunkach.

Adiabatyczny efekt Halla. Jeśli tylko dziury są nośnikami ładunku, to gradient temperatury i gradient potencjału elektrycznego są skierowane w tym samym kierunku

Jeśli prąd płynący przez drut pod wpływem napięcia Halla jest niemożliwy, to pomiędzy siłami Lorentza i poprzez równowagę napięcia Halla ustala się.

W tym przypadku siły Lorentza mają tendencję do tworzenia gradientu populacji nośników wzdłuż drutu, podczas gdy napięcie Halla ma tendencję do przywracania jednolitego rozkładu populacji w całej objętości drutu.

Natężenie (napięcie na jednostkę grubości) pola elektrycznego Halla skierowanego prostopadle do kierunków prądu d i pola magnetycznego określa się wzorem:

Fz = KzVJ,

gdzie K.z — współczynnik Halla (jego znak i wartość bezwzględna mogą się znacznie różnić w zależności od konkretnych warunków); B — indukcja magnetyczna, a J to gęstość prądu płynącego w przewodniku (wartość prądu na jednostkę pola przekroju przewodnika).

Rysunek przedstawia arkusz materiału, który przewodzi silny prąd i, gdy jego końce są podłączone do baterii. Jeśli zmierzymy różnicę potencjałów między przeciwległymi stronami, otrzymamy zero, jak pokazano na rysunku po lewej stronie. Sytuacja zmienia się, gdy przyłożymy pole magnetyczne B prostopadle do prądu w arkuszu, zobaczymy, że między przeciwległymi stronami pojawi się bardzo mała różnica potencjałów V3, jak pokazano na rysunku po prawej stronie.

Termin „adiabatyczny” jest używany do opisania warunków, w których nie ma przepływu ciepła z zewnątrz do lub z rozważanego systemu.

Po obu stronach drutu znajdują się warstwy materiału izolacyjnego, aby zapobiec przepływowi ciepła i prądu w kierunku poprzecznym.

Ponieważ napięcie Halla zależy od nierównomiernego rozkładu nośników, można je utrzymać wewnątrz ciała tylko wtedy, gdy energia jest dostarczana z jakiegoś źródła zewnętrznego w stosunku do ciała.Energia ta pochodzi z pola elektrycznego, które wytwarza prąd początkowy w substancji. W substancji galwanomagnetycznej powstają dwa gradienty potencjału.

Początkowy gradient potencjału definiuje się jako początkową gęstość prądu pomnożoną przez rezystancję substancji, a gradient potencjału Halla definiuje się jako początkową gęstość prądu pomnożoną przez współczynnik Halla.

Ponieważ te dwa gradienty są wzajemnie prostopadłe, możemy rozważyć ich sumę wektorów, których kierunek będzie odchylony o pewien kąt od kierunku pierwotnego prądu.

Kąt ten, którego wartość jest określona stosunkiem sił pola elektrycznego zorientowanego w kierunku prądu i pola elektrycznego generowanego w kierunku prądu, nazywa się kątem Halla. Może być dodatnia lub ujemna w odniesieniu do kierunku prądu, w zależności od dominujących nośników — dodatnich lub ujemnych.

Czujnik zbliżeniowy z efektem Halla

Efekt Halla opiera się na mechanizmie oddziaływania nośnika z dominującym zasoleniem, które zależy od ogólnych właściwości fizycznych substancji przewodzącej. Dla metali i półprzewodników typu n nośnikami są elektrony, dla półprzewodników typu p dziury.

Ładunki przewodzące prąd są odchylane na tę samą stronę drutu co elektrony. Jeśli dziury i elektrony mają to samo stężenie, generują dwa przeciwne napięcia Halla. Jeśli ich stężenia są różne, to jedno z tych dwóch napięć Halla przeważa i można je zmierzyć.

Dla nośników dodatnich napięcie Halla wymagane do przeciwdziałania ugięciu nośnika pod wpływem sił Lorentza jest przeciwne do odpowiedniego napięcia dla nośników ujemnych. W metalach typu n i półprzewodnikach napięcie to może nawet zmieniać znak, gdy zmienia się pole zewnętrzne lub temperatura.

Czujnik Halla to urządzenie elektroniczne przeznaczone do wykrywania efektu Halla i przekształcania jego wyników w dane. Dane te mogą służyć do włączania i wyłączania obwodów, mogą być przetwarzane przez komputer i mogą powodować różne skutki przewidziane przez producenta urządzenia i oprogramowanie.

W praktyce czujniki Halla to proste, niedrogie mikroukłady, które wykorzystują pola magnetyczne do wykrywania zmiennych, takich jak zbliżanie się, prędkość lub przemieszczenie układu mechanicznego.

Czujniki Halla są bezkontaktowe, co oznacza, że ​​nie muszą stykać się z żadnymi elementami fizycznymi, mogą generować sygnał cyfrowy lub analogowy, w zależności od ich konstrukcji i przeznaczenia.

Czujniki efektu Halla można znaleźć w telefonach komórkowych, urządzeniach GPS, kompasach, dyskach twardych, silnikach bezszczotkowych, fabrycznych liniach montażowych, samochodach, urządzeniach medycznych i wielu gadżetach Internetu rzeczy.

Zastosowanie efektu Halla: Czujniki Halla I Pomiar wielkości magnetycznych