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
Описание прибора электросчетчик Энергомера СЕ 101. Световые индикаторы и особенности индикационного табло Энергомеры СЕ-101. Схема подключения электросчетчика СЕ101. Поэтапная установка электрического счетчика....
04 10 2026 13:15:10
Изготовление паяльной станции своими руками. Ремонтные и монтажные работы в современных микросхемах с помощью самодельной паяльной станции с феном. Выбор паяльника. Способы конструирования. Основные рекомендации и правила сборки прибора....
03 10 2026 12:20:47
Определение модульного заземления. Устройство штыревого заземления. Глубина помещения электрода в грунт. Принцип установки модульных заземлений. Преимущества глубинного заземления. Что такое искусственный заземлитель....
02 10 2026 17:55:20
Открытая электропроводка в кабель каналах хорошее решение для монтажа. Но стоит помнить о правилах прокладки кабеля в каналах, это залог успешной установки....
01 10 2026 11:13:35
Что такое процессор Ардуино. Схема подключения блока питания к плате с процессором Arduino. Особенности монтажа и проверки работы элементов и схемы в целом....
30 09 2026 19:41:34
Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения. Определение напряжения шага. Причины возникновения, радиус распространения и сила тока. Меры защиты. Первая помощь при поражении шаговым напряжением. Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения....
29 09 2026 10:19:46
Пути совершенствования: микроминиатюризация и микросхемотехника. Пpaктическая электроника для начинающих: основы и азы. Основные разделы и направления электроники как науки. Вакуумные среды и твёрдые тела....
28 09 2026 17:31:26
Способов прокладки кабеля очень много, мы расскажем как справиться с любым из них. Качественный монтаж, залог безопасности!...
27 09 2026 12:24:30
Освещение прихожих и коридоров нужно делать с учетом особенностей их размеров, а также установленной мебели и аксессуаров....
26 09 2026 4:34:14
Красивая подсветка картин, зеркал и других произведений искусства способна придать интерьеру любого помещения комфорт, презентабельность и эстетичность....
25 09 2026 11:20:33
Место расположения розеток в квартире в первую очередь это удобство эксплуатации. Мы приведем пример правильного распределения розеток по квартире....
24 09 2026 13:28:33
Установка счетчика задача посильная даже не профессионалу. Нужно пройти несколько этапов: выбор, монтаж, и подключение электросчетчика!...
23 09 2026 19:49:39
Особенность стабилизатора на транзисторах. Стабилизатор тока на одном транзисторе: схема. Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов. Как сделать светодиодный стабилизатор-LM317....
22 09 2026 23:15:50
Ремонт трaнcформаторов их виды и периодичность. Вывод трaнcформатора в ремонт и последовательность действий при этом. Ремонт сварочных трaнcформаторов...
21 09 2026 12:13:24
Плюсы универсального зарядного устройства для аккумуляторов. Универсальное зарядное устройство «Лягушка»: принцип работы. Универсальная зарядка для аккумуляторных батареек своими руками....
20 09 2026 4:55:37
Классификация проводов ВВГНГ: расшифровка аббревиатуры FRLS. Технические хаpaктеристики ФРЛС-кабеля. Особенности конструкции огнестойких силовых кабелей. Направления применения. Условия монтажа и эксплуатации кабеля силового ВВГнг-FRLS....
19 09 2026 23:27:25
Виды размещения электрической проводки. Виды гофрированной трубы для прокладки электропровода. Этапы прокладывания электропроводки с использованием гофротрубы. Сферы применения гофрированных труб....
18 09 2026 11:26:16
Вольтметр - назначение и устройство прибора. Принцип действия вольтметра. Классификация и видовое разнообразие вольтметров по внешним признакам. Диапазон измерения вольтметрами. Стрелочные и электронные приборы. Правила пользования, снятие показаний....
17 09 2026 10:48:50
Чтобы произвести монтаж розеток в доме, нужно подготовить штробы или воспользоваться кабель каналом, установить подрозетники и сделать разводку проводов....
16 09 2026 11:18:14
При расчете освещения учитываются особенности помещения, условия труда и другие параметры. Вычислениями определяется необходимое количество светильников....
15 09 2026 0:51:39
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....
13 09 2026 14:14:30
Виды паяльников с регуляторами мощности. Для чего нужна регулировка температуры жала паяльника. Способы самостоятельного изготовления регуляторов мощности для паяльников из резистора, тиристора и симистора. Схемы регуляторов диммерная или ступенчатая....
12 09 2026 13:42:32
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
11 09 2026 6:32:34
Устройство механизма шуруповерта и принцип действия прибора. Конструкция аккумулятора и типы аккумуляторных батарей. Переделка шуруповерта на питание от сети 220В. Использование внешнего блока питания....
10 09 2026 21:40:19
Архитектурное освещение фасадов является особым направлением светового дизайна и придает зданию оригинальность и неповторимый стиль....
09 09 2026 12:38:36
Что называется электролабораторией? Типы электрических испытаний. Правила получения свидетельства о регистрации электротехнических лабораторий в Ростехнадзоре. Виды испытательных и измерительных мероприятий проводимых электролабораториями. Передвижная электролаборатория....
08 09 2026 10:48:57
Виды электросхем. Структурная и функциональная электросхемы. Чтение электрических схем. Схема электропроводки. Как обозначены розетки и выключатели на чертежах: условные обозначения и маркировки...
07 09 2026 9:27:32
Основные хаpaктеристики цифровых мультиметров серии DT-830b. Пределы измерений различных параметров с помощью прибора. Режимы работы мультиметра. Прозвонка участков цепи, измерения силы тока, напряжения, сопротивления....
06 09 2026 18:12:42
Сравнение двух источников света: люминесцентные лампы и светильники и светодиодные источники света. Их подключение, демонтаж и монтаж....
05 09 2026 17:13:39
Единицы измерения освещенности. Формулы вычисление конкретного значения кандел, люменов и люксов. Обозначения на источниках света. Рекомендуемые значения освещённости разных жилых помещений....
04 09 2026 9:50:50
Зачем нужно заземление. Как выглядит знак заземления, о чем он информирует. Знаки заземления на электрических схемах....
03 09 2026 11:40:40
Назначение мини электродрели и область применения прибора. Варианты патронов для маленькой дрели. Изготовление минидрели своими руками в домашних условиях. Основные части устройства. Элементы питания для маленьких электродрелей....
02 09 2026 7:32:36
Починить сломавшийся электроприбор можно, если придерживаться техники безопасности и четкой инструкции. И не надо бежать в магазин за новым!...
01 09 2026 5:35:22
Как часто требуется замена электрического счетчика: нормативы и межповерочный интервал. Виды счетчиков электроэнергии. Какими параметрами обладают электросчетчики. Преимущества двухтарифных и трехтарифных моделей....
31 08 2026 17:22:58
Что такое тепловизор, его классификация и где он применяется. Особенности тепловизионного контроля за нагревом дефектных частей электрооборудования....
30 08 2026 10:10:42
Общее понятие о преобразователях DC DC. Принцип работы импульсного преобразователя. Параметры импульсных преобразователей. Широтно-импульсная модуляция. Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой....
29 08 2026 17:40:40
Проблемы в электропроводке. Неисправности люстр и светильников. Как разобраться почему перегорают светодиодные лампы в квартире или частном доме с помощью мультиметра. Симптомы неисправности и системные решения....
28 08 2026 22:59:50
Основные виды применяемых при эксплуатации трaнcформаторов защит. Их принцип действия и выбор. Особенности защиты печных трaнcформаторов....
27 08 2026 13:52:36
Внешний кронштейн для антенны на дачу или для стены дома. Крепеж для тв антенны на крышу...
26 08 2026 5:24:50
Лампы освещения накального, газоразрядного и светодиодного типов применяются для разных целей. Их используют в быту, на производстве и др. объектах....
25 08 2026 13:30:39
Принцип работы и конструктивные особенности контактора. Способы подключения его к сети и к нагрузке. Защита цепей электромагнитного контактора....
24 08 2026 14:19:55
Принцип работы умной розетки с вай-фай управлением очень прост, если разобраться. С развитием техники каждый может себе позволить установить такие розетки!...
23 08 2026 22:30:34
Гипсокартон не совсем удобный материал для установки розетки, но общий порядок работ не сильно отличается от установки в другие типы стен....
22 08 2026 1:50:49
Особенности подключения электросчетчиков. Выбор счётчика: индукционный или электронный. Схемы подключения прибора учета электроэнергии. Расположение электрического счетчика в щитке. Подключение электросчетчика: правила безопасности....
21 08 2026 3:26:40
Расчет допустимой силы тока для медного провода. Понятие теплового нагрева и потери напряжения. Таблица зависимости падения напряжений от сечения и величины протекающих токов в проводниках. Ток превышен: возможные последствия....
20 08 2026 19:35:58
Принципиальна схема симисторного однофазного стабилизатора. Достоинства и недостатки современных стабилизаторов на симисторных элементах. Симисторный стабилизатор 12 вольт: схема сборки своими руками....
19 08 2026 15:42:43
Розетки с терморегуляторами это приборы которые в автоматическом режиме поддерживают температуру на необходимом пользователю уровне....
18 08 2026 11:14:43
Автоматизация расчёта участка электрической цепи. Калькулятор закона Ома. Рассчитываем напряжение, сопротивление, мощность и силу тока. Таблица приставок величин. Подсчет мощности по формулам. Набор сервисов для автоматизации подсчетов....
17 08 2026 4:59:44
Что такое оптический кабель: виды исполнения оптических кабелей. Конструкция оптического провода. Технические хаpaктеристики цифрового оптического аудиокабеля. Сферы применения изделия. Кабель для домашнего кинотеатра и телевизора....
16 08 2026 13:59:34
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
