Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты
Содержание
- 1 Что такое эффект Холла
- 2 От Лоренца к Холлу
- 3 Виды
- 4 Формулы и расчёты
- 5 Достоинства и недостатки
- 6 Применение
- 7 Видео
Это явление было открыто в конце 19-го века. Эффект Холла (ЭХ) получил специфическое название по фамилии ученого, который зарегистрировал изменение потенциалов на золотой пластине в ходе экспериментов с электричеством и постоянными магнитами. В настоящее время основные принципы открытия применяют для изготовления датчиков. С их помощью измеряют силу тока без разрыва цепи.
Современные датчики скорости вращения, созданные на основе эффекта Холла
Что такое эффект Холла
Для повторения классического эксперимента не обязательно применение ценных металлов. Чтобы зарегистрировать возникновение разницы потенциалов, вполне достаточно чувствительности серийного лабораторного вольтметра. Сильный однородный магнитный поток обеспечить несложно, если подобрать подходящие изделия из неодимовых сплавов.
Что такое Холла эффект, можно выяснить с помощью наглядного экспериментаЕсли расположить проводник (пластину) в магнитном поле, как показано на рисунке, на торцах будет измеряться напряжение. Серией элементарных опытов можно обнаружить закономерность изменения показаний при увеличении (уменьшении) силы тока в рабочей цепи.
На этом принципе основано пpaктическое применение эффекта Холла (ЭХ). По этой схеме выполняют измерение электрических параметров, не нарушая целостность токопроводящих цепей. Бесконтактный метод позволяет надежно изолировать датчик от нeблагоприятных внешних воздействий. Такие методики помогают продлить долговечность оборудования, которое эксплуатируют в сложных условиях. В частности, подобные решения применяют в конструкциях автомобильной и авиационной техники.
От Лоренца к Холлу
Что является источником магнитного поляДля лучшего понимания физических процессов следует вспомнить базовые определения силы Лоренца. Они описывают воздействие на движущийся заряд магнитного поля. При перпендикулярном расположении силовых линий и вектора скорости электрон будет отклоняться вертикально вверх.
Сила Лоренца и эффект Холла: пояснение основных зависимостейНа второй части рисунка показано, каким образом сила Лоренца воздействует на поток электронов. Их движение в определенном направлении обеспечивает подключенный источник постоянного тока. В соответствующих точках плоского проводника несложно измерить разницу потенциалов (Uх).
К сведению. Перемещение электронов противоположно движению тока, отмеченного на картинке стрелками.
Для определения полярности потенциала пользуются известным правилом правой руки. Разместив ладонь в соответствии с направлением движения электронов, положением большого пальца определяют направление воздействия силы Лоренца. В рассматриваемом примере она перемещает отрицательные заряды на пластине вниз. Соответствующий знак «-» отмечен на картинке.
Виды
Токоизмерительные клещиВ классическом варианте эффект холла это перемещение в определенном направлении зарядов при воздействии магнитного поля. Ниже представлены особенности разных видов явления, которые основаны на иных принципах.
Аномальный
В этом случае главная особенность заключается в том, что разница потенциалов регистрируется без воздействия магнитного поля. Подобные явления наблюдают в изделиях с намагниченными свойствами.
Квантовый
Эта разновидность ЭХ определяется появлением квантовых хаpaктеристик сопротивления при существенном снижении температуры образца. Экспериментально подтверждена зависимость проводимости от силовых параметров магнитного поля при сохранении постоянства концентрации носителей зарядов.
Дробный
Такое явление – разновидность рассмотренного выше квантового ЭХ. Его зарегистрировали в ходе последовательного увеличения магнитной индукции.
Спиновый
В этом варианте для экспериментов используют проводники с немагнитными хаpaктеристиками. Внешнее поле отсутствует. Наблюдают смещение зарядов в противоположных направлениях.
Формулы и расчёты
Закон полного токаТак как в классическом определении эффект Холла – это перемещение зарядов под воздействием внешнего магнитного поля, можно сделать несколько выводов:
- образующееся в контрольных точках напряжение (Uх) будет прямо пропорционально току (I);
- аналогичная зависимость определена силовыми параметрами поля, которые выражают через вектор (В) магнитной индукции;
- существенное значение имеет размерность проводника.
Какой получится потенциал при определенных исходных параметрах? Ниже показан алгоритм преобразований с итоговой формулой для расчетов.
Для определения силы Лоренца (Fл) используют выражение:
Fл = q*v*B,
где:
- q – элементарный заряд;
- v – скорость его перемещения.
При подключении пластины по схеме основного эксперимента при постоянной силе тока разница потенциалов стабилизируется. После этого созданное электрическое поле будет воздействовать на заряды с определенной силой Fэ = q * E, где E – это соответствующая напряженность.
В этом состоянии Fл = Fэ, поэтому значение правых частей формул также будет равным: q*v*B = q * E. Следовательно E = v*B.
Плотность тока (j) определяется выражением:
j = q * v *n, где n – это число заряженных частиц в единице объема.
После преобразования выражения расчет для скорости подставляют в формулу напряженности:
E = (j/q*n) * B.
Разницу потенциалов несложно вычислить по напряженности и расстоянию (d) между контрольными точками (гранями пластины):
Uх = E * d = d * (j/q*n) * B = (1/q*n) * d * j * B.
Часть выражения (1/q*n) = R – это постоянная Холла. Она определяет обратную зависимость от суммарного заряда частиц.
Подставив коэффициент Холла в последнее выражение, можно записать итоговую формулу следующим образом:
Uх = R * d * j * B.
Достоинства и недостатки
Основное преимущество датчиков, созданных на основе данного эффекта, – изолированность цепей (измерения и токопроводящей). Кроме отмеченной выше хорошей защищенности от внешней среды, такое конструкторское решение обеспечивает отсутствие обратного влияния на основную электрическую схему. Подразумевается возможность оперативного изменения места измерения. Дополнительный плюс – минимальная мощность потрeбления.
Недостатком является ограниченная точность (1-2% в лучших образцах). Применение резистивного аналога в комплекте с дифференциальным усилителем позволяет улучшить результат с меньшими затратами. Однако в этом случае предполагаются монтаж контрольного компонента в рабочую цепь и сравнительное увеличение потрeбляемой мощности.
Также следует отметить ограниченный частотный диапазон датчиков Холла. Серийные модели функционируют корректно до 70-90 кГц. Более дорогие изделия широкополосной категории рассчитаны на применение до уровня 240-260 кГц. Нужно учитывать низкую чувствительность, которая вызывает затруднения при работе с малыми токами.
Применение
С учетом небольшой разницы потенциалов понятно типовое решение с подключением выводов датчика к операционному усилителю. Далее сигнал поступает на индикаторное устройство. Преобразование в цифровую форму выполняют с помощью триггера. При соответствующей настройке схема сpaбатывает, если зарегистрирован определенный уровень магнитного поля.
Перечисленные возможности применяют для контроля положения ротора или частоты вращения электромотора. В нужных местах закрепляют постоянные магниты и датчик.
Датчик Холла в системе бесконтактного зажигания автомобиляВ проводниках и полупроводниках
Физика эффекта Холла (воздействие магнитного поля на электроны) подробно рассмотрена выше. Однако при работе с полупроводниками дополнительно учитывают поведение дырок. В частности, определяют концентрацию и подвижность заряженных частиц, фотопроводимость материалов. Измерение полярности потенциалов позволяет выяснить тип полупроводника (p или n).
Датчики Холла
Аналоговые изделия функционируют на основе базовых принципов явления. По изменению потенциала определяют силу тока. Цифровые модели сpaбатывают при определенном уровне индукции. Единица на выходе сигнализирует о наличии магнитного поля.
Изготовление датчика тока на основе эффекта Холла
Для создания функционального устройства нужно приобрести датчик в типовом исполнении («транзисторный» корпус с тремя выводами). Подходящее по размерам ферритовое кольцо аккуратно распиливают пополам. Полукольца подсоединяют к типовому зажиму типа «крокодил». К торцам приклеивают датчик и демпфирующую прокладку.
Самодельные клещиПосле подключения через усилитель к мультиметру можно измерять ток в проводниках без разрыва цепей.
Видео
Параметры емкостного сопротивления в различных схемах. Определение емкостных сопротивлений в цепях электрического тока по формуле. Векторное представление ёмкости. Ёмкостное сопротивление: единицы измерения и пример расчетов....
29 06 2026 1:57:28
Исход поражения электротоком и опасные величины тока. Какой силы бывает cмepтельный ток для человека. Опасность переменного и постоянного электротока. Как подразделяется электроток в зависимости от того, как он влияет на человеческое здоровье....
28 06 2026 6:34:55
Мастерская радиолюбителя: радиосхемы своими руками для дома. С чего начать, что можно сделать. Необходимый минимум инструментов и расходников. Общие правила работы с радиосхемами. Пайка в домашних условиях....
27 06 2026 17:16:24
Определение металлоискателя. Металлоискатель: принцип работы прибора. Комплектующие изделия и их назначение. Электронный чувствительный контур, управляющий узел. Типы металлоискателей и различия в принципе действия. Ручная и автоматическая настройка металлодетекторов....
26 06 2026 21:35:56
Функциональные особенности онлайн осциллографа для ПК. Термины используемые программой онлайн-осциллографа. Преобразование компьютера в осциллограф. Применение программы в быту....
25 06 2026 4:21:30
Как направлен вектор электрического поля. Правила вычерчивания силовых линий. Определение электрической силы с помощью закона Кулона. Вычисление модуля напряженности. Напряженность электрического поля. Закон обратных квадратов. Формула для расчета вектора напряженности электрических полей....
24 06 2026 5:47:33
Отличия импульсного паяльника от обычного: схема для самостоятельного изготовления...
23 06 2026 14:13:58
Историческая справка о Николе Тесле. Закон Теслы. Как собрать мини катушку Теслы своими руками. Единица измерения электромагнитной индукции - это тоже Тесла. Тайна Николы Теслы. Опыты и эксперименты....
22 06 2026 18:15:27
Основные типоразмеры SMD - резисторов общего назначения. Подстроечные SMD-резисторы: система обозначений типоразмеров. Переменный SMD-резистор: открытое, закрытое и герметизированное исполнение....
21 06 2026 13:47:20
Определение и формулы напряженности электрополя. Работа и энергия в электростатическом поле. Электрическое поле в конденсаторе. Определение максимальной энергии в конденсаторах. Определение энергии электрического поля через составление формул для работы....
19 06 2026 23:13:38
Правила установки устройства защиты. Подключение УЗО, подключение УЗО с заземлением. Как установить УЗО без ошибок....
18 06 2026 4:10:15
Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....
17 06 2026 13:28:46
Особенности нагревательной процедуры: типовая методика. Особенности греющих кабелей: методики подключения к трaнcформатору. Рекомендации по монтажу провода для прогрева бетона: расчеты параметров кабельной системы....
16 06 2026 12:37:40
Прибор для измерения силы: динамометр. Измерение сил в системе СИ. Принцип действия и история изобретения динамометра. механические (рычажные или пружинные), электрические и гидравлические динамометры....
15 06 2026 10:59:59
Промышленное освещение осуществляют с помощью светодиодных светильников и ламп, которые являются наиболее экономичными и полностью соответствуют нормам....
14 06 2026 22:21:54
Классические способы генерации электроэнергии: зависимость от источника. Принцип действия генератора с самозапиткой. Обзор радиантных генераторов. Генератор с самозапиткой: собираем трaнcгенератор своими руками....
13 06 2026 9:51:44
Виды преобразователей напряжения и свойства. Основные принципиальные схемы. Советы по выбору импульсных преобразователей и стабилизаторов....
11 06 2026 15:17:46
Принцип работы и причины для чего необходимо заземление в доме. Советы по установке громоотвода. Стандартные комплекты заземления и цены на них....
10 06 2026 23:34:55
Что такое аккумуляторное напряжение: чем и чём измеряется. Норма заряда аккумуляторной батареи. Что делать, если аккумулятор разряжается? Обслуживание аккумулятора в домашних условиях. Таблица рабочих напряжений аккумуляторов: расчет нормального заряда АКБ....
09 06 2026 15:46:33
Что такое электрический потенциал и его уравнивание. Отличия уравнивания от выравнивания. Системы уравнивания и что в них входит. Конструкция и подключение коробки уравнивания потенциалов (КУП). Модели коробок: ШДУП, ДСУП....
08 06 2026 17:36:34
Техническое обслуживание электрооборудования - комплекс специально мероприятий, которые будут поддерживать работоспособность и продлят срок его эксплуатации...
07 06 2026 16:59:20
Назначение, принцип работы и типы УЗО. Способы подключения к однофазной и трехфазной сетям. Определение нагрузочной способности. Рекомендации по подключению УЗО и автомата: схема и последовательность монтажа....
06 06 2026 21:46:56
Принцип работы блока питания для антенны. Как правильно подключить БП. Возможные неисправности блоков питания для антенн. Выбор оптимального напряжения и мощности. Обзор китайских устройств....
05 06 2026 2:35:28
Механический терморегулятор: схема работы простого терморегулятора. Терморегуляторы на трех элементах. Термостат для котлов отопления. Цифровой термостат с точной калибровкой на микроконтроллерах....
04 06 2026 10:24:52
Ремонт электрического оборудования важная функция. Правильная организация поможет обеспечить работоспособность и продлить срок службы....
03 06 2026 3:51:11
От чего защищается электрооборудование. Государственный стандарт (ГОСТ) степеней защиты IP. Интерпретация кодов. Применение устройств с конкретными индексами. Расшифровка дополнительных букв в кодах. Особенности использования IP-кодировки...
02 06 2026 2:25:14
Линии электропередач их технические хаpaктеристики и разновидности. Воздушные и кабельные ЛЭП. Типы линий электропередачи в зависимости от мощности тока и напряжения. Что такое охранная зона ВЛ....
01 06 2026 18:28:49
Как изготовить самодельную антенну для радио в домашних условиях. Разновидности антенн: стержневые, проволковые, телескопические. Конструкция FM антенны для приемника. Подключение антенны....
31 05 2026 16:20:41
Что такое полупроводники. Как обеспечивается проводимость. Проводимость p-типа и n-типа. Основные понятия: атом, электрон, ион. Использование проводников. Легирование полупроводников. Разновидности полупроводниковых материалов. Полимеры....
30 05 2026 19:48:12
Польза и вред механических резонансов. Добротность колебательной системы. Положительные и отрицательные стороны резонанса. Частота резонанса. Электромеханические резонаторы. Достижения размытия резонанса. Кварцевые резонаторы и электромеханические фильтры....
29 05 2026 6:10:19
Устройство прибора. Основные неисправности. Ремонт люстр с пультом управления: ремонтируем передатчик и приемник. Рекомендации по уходу и обслуживанию светильников с ДУ....
28 05 2026 17:39:54
Что собой представляет контроллер, его принцип работы. Типы связи контроллера системами управления. Их популярные производители и модели....
27 05 2026 16:38:23
Показаний электроэнергии могут отличатся от норм, чтобы проверить их параметры есть специальное оборудование и четкая инструкция которую мы вам расскажем....
26 05 2026 19:25:31
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ПуГВ (аналог ПВ-3): требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ПуГВ-провода и кабеля ПуГВВ. Конструктивные хаpaктеристики проводов ПуГВ и ПуГВВ....
24 05 2026 22:49:20
Общее описание прибора учета электроэнергии Меркурий 201. Правила (схема) подключения и технические хаpaктеристики однофазного счетчика Меркурий-201. Преимущества использования в быту и на производстве....
23 05 2026 11:30:47
Лампы освещения накального, газоразрядного и светодиодного типов применяются для разных целей. Их используют в быту, на производстве и др. объектах....
22 05 2026 14:18:27
Виды кабель-каналов: прозрачные, перфорированные, гибкие, магистральные и другие. Размеры кабельных каналов для электропроводки и порядок монтажа кабель канала. Хаpaктеристика кабельного металлического канала....
21 05 2026 2:22:35
Преимущества,особенности и конструкция металлогалогенных светильников, а также инструкция по их подключению от профессионального электрика....
20 05 2026 17:59:58
Как возникает ток. Определение силы тока с точки зрения физики. Поиск по формулам. Разница сил тока при переменном и постоянном электричестве....
19 05 2026 14:23:27
Виды света и хаpaктеристики светового потока ламп накаливания, светодиодных и светосберегающих источников освещения. Единицы измерения. Определение светоотдачи, яркости и интенсивности освещения. Люксы, люмены, канделы: в чем измеряют свет....
18 05 2026 2:47:57
Для чего применяются таймеры и рале времени, их различия и модификация. Правильный выбор нужного таймера....
17 05 2026 7:12:27
Польза и вред резонансов. Резонанс в электрических цепях как явление. Добротность колебательной системы. Положительные и отрицательные стороны резонанса. Частота резонанса....
16 05 2026 0:36:15
Галогеновые лампы обладают высокой яркостью и цветопередачей, что позволяет выполнять освещение в быту, промышленности и медицине....
15 05 2026 19:45:43
Ремонт энергосберегающих ламп, их разборка и самые распространенные неисправности. Ремонт настольных ламп. Советы профессионалов....
14 05 2026 18:54:47
Разновидности и особенности ИК-датчиков: извещатели скорости, детекторы PIR, съемные сенсоры и т.п. Способы расположения и схемы инфpaкрасных датчиков. Принцип работы датчиков движения. Критерии выбора инфpaкрасного датчика движений....
13 05 2026 10:44:49
Расшифровка и электрические параметры кабеля ААШВ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. Кабель ААШВ: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Особенности конструкции провода....
12 05 2026 13:10:36
Правило и применение делителя напряжений в радиоэлектронике. Принцип делителей напряжений, виды схем и расчетные формулы. Закон Кирхгофа и закон Ома. Примеры расчетов. Калькулятор онлайн....
11 05 2026 22:47:36
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
