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
Сайт Amperof.ru это ваш помощник по электротехнике, электрооборудованию и электроснабжению! Портал для любителей нашей тематики....
28 07 2026 4:34:12
Основные функции щита электроэнергии это распределение электрической энергии, обеспечение электробезопасности и учет электроэнергии....
27 07 2026 3:28:50
Снятие показаний со счетчиков индукционного типа и электронных электросчетчиков. Как снять показания счетчика электроэнергии Меркурий. Сколько цифр списывается с табло индукционных аппаратов. Учёт электроэнергии в цепях трёхфазного тока....
26 07 2026 13:54:24
Принцип действия сварочного трaнcформатора, его виды и методика расчёта. Улучшение и усовершенствование сварочных аппаратов....
25 07 2026 17:44:50
Электротехнический плинтус предназначен для укладки электрических проводов, а также для осуществления подсветки в помещении и отопления выполняют важную роль....
24 07 2026 21:29:44
Назначение и достоинства кабельных каналов для размещения проводки. Виды кабель-каналов. Настенные ПВХ короба жёсткого типа. Инструментарий, необходимый для прокладки кабель-канала. Виниловый кабель канал....
23 07 2026 11:15:25
Автоколебательные транзисторные приборы: принципы работы и общее устройство. О генераторах на транзисторе: схема генератора на транзисторе DIY. Изображение на электрических схемах. Схемы генераторов на транзисторах....
22 07 2026 5:23:56
Законы Фарадея и Ленца. Определение формулы ЭДС. Движение провода в магнитном поле. Что такое вращающаяся катушка. Понятие взаимоиндукци. Электромагнитная индукция: расчет электродвижущей силы по формуле....
21 07 2026 7:45:47
Что называется перекосом фаз. Расчет дисбаланса напряжений по формуле. От чего зависит симметрия напряжения системы между распредсетями и потребителями электроэнергии. Перекосы фазы в трехфазных и однофазных сетях тока (ПУЭ)...
20 07 2026 8:12:12
Особенности подключения аккумуляторов к солнечным батареям. Как рассчитать основные параметры АКБ для солнечных батарей. Основные виды аккумуляторных батарей для гелиосистем. Гелиосистема с AGM-накопителями....
18 07 2026 21:46:52
Блокинг генератор: принцип работы устройства. Автоколебательный режим: сборка блокинг-генератора на усилительных элементах. Рабочий процесс рассматриваемого устройства....
17 07 2026 23:48:56
Как развивалось учение о магнитном поле. Хаpaктеристики магнитного поля. Природа возникновения магнитных полей. Как представить магнитное поле. Какие бывают магнитные поля. Получение энергии из магнитного поля Земли....
16 07 2026 19:49:58
Для чего LTE модему нужна внешняя антенна 4G. Технические хаpaктеристики самодельных 4G антенн для мобильных модемов. Как сделать выносную 4G своими руками: схема и инструменты....
15 07 2026 13:53:11
Суть явления, определение резонанса в физике и виды резонансных явлений. Механический резонанс. Электрический колебательный контур и сложные колебательные структуры. Опасности и польза резонансов....
14 07 2026 9:39:57
Особенности полярных изделий. Проводящие материалы, используемые в конденсаторах: алюминиевые и танталовые электролиты и изделия из полимеров. Особенности конструкции и включения НЭК....
13 07 2026 10:43:45
Для чего LTE модему нужна внешняя антенна 4G. Технические хаpaктеристики самодельных 4G антенн для мобильных модемов. Как сделать выносную 4G своими руками: схема и инструменты....
12 07 2026 7:58:39
Типы кримперов: разновидностей клемм, которые определяют тип используемого кримпера (трубчатый и разрезной хвостовик, сетевые и телефонные разъемы). Кримпер для обжима наконечников RJ. Как правильно работать с инструментом....
11 07 2026 2:49:54
Устройство и принцип люминисцентного источника света. Опасности попадания ртути в организм человека. Разбилась лампочка энергосберегающая: что делать, какова опасность для здоровья человека?...
10 07 2026 0:28:12
Определение индуктивного сопротивления. Что такое индуктивное сопротивление катушки индуктивности. Формулы для расчетов. Применение формул для получения верных расчетов во многих отраслях промышленности, электротехнике и энергетике....
09 07 2026 22:22:34
Какие розетки подходят для варочных панелей или духовых шкафов. Варианты изготовления и производители изделий. Правильная розетка для электроплит. Правила монтажа розеток для мощной кухонной техники....
08 07 2026 8:26:20
Какие бывают искатели проводки, и как они работают. Бесконтактный индикатор напряжения: преимущества и недостатки. Как правильно выбрать искатель электропроводки в магазине. Изготовление простейшего детектора своими руками....
07 07 2026 19:24:58
Назначение и конструктивные особенности резисторов SMD. Расшифровка аббревиатуры SMD-резисторов, в том числе с типоразмером 0805. Маркировка резисторов с четырьмя цифрами и общие методики расшифровки....
06 07 2026 14:44:54
Методы регулировки освещенности: реостатный или симисторный. Две группы выключателей с регулировкой яркости по конструктивному исполнению. Разновидности комнатных светорегуляторов. Типы используемых в выключателях с регулятором яркости ламп....
05 07 2026 9:57:10
Какие элементы питания лучше для шуруповертов: литиевые или никеливые. Сроки службы АКБ шуруповертов. Сравнительные рейтинги аккумуляторов. Возможна ли переделка шуруповерта под другой тип аккумулятора....
04 07 2026 21:13:35
Основные хаpaктеристики автомата вводного. Однополюсники и двухполюсники: преимущества и недостатки. Об автомате вводном: устройство выключателя для квартиры, схемы установки и подключения....
03 07 2026 23:47:17
Понятие электрического сопротивления проводника. Что такое сопротивление проводников: что важнее - длина или сечение. Формула для определения сопротивления проводника. Зависимость напряжения от материалов или геометрии проводников....
02 07 2026 9:34:58
Как подключить вольтметр? Как пользоваться амперметром? Принцип действия электроизмерительных приборов с примерами, и советами....
01 07 2026 12:43:27
Пластиковые каналы, особенности металлических, железобетонных лотков их назначение. Перфорированные и неперфорированные лотки, удобство их прокладки....
30 06 2026 20:39:22
Гирлянда бахрома: использование на улице и внутри помещений. Преимущества и недостатки новогодней уличной светодиодной гирлянды бахрома со светомузыкой. Способы уличного монтажа для гирлянды бахрома....
29 06 2026 14:17:57
Что такое клетка или щит Фарадея. Устройство и принцип действия прибора. Сферы применения КФ. FARADAY SHIELD: от микроволновой печи до защитных костюмов. Изготовление щита Фарадея своими руками в домашних условиях....
28 06 2026 14:57:37
Зачем проверять АКБ. Что проверить перед оценкой состояния аккумулятора. Что такое нагрузочная вилка: особенности применения. Порядок проверки аккумулятора с помощью нагрузочной вилки. Параметры (таблица) для оценки годности батареи....
27 06 2026 13:16:37
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВБбШв: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ВБбШв-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВБб-Шв (таблица)....
26 06 2026 18:45:57
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
25 06 2026 21:27:29
Открытая электропроводка в кабель каналах хорошее решение для монтажа. Но стоит помнить о правилах прокладки кабеля в каналах, это залог успешной установки....
24 06 2026 3:53:25
Что такое молниезащита зданий и сооружений. Принципы действия и устройство молниеотводов. Классификация объектов, подлежащих защите. Категории молниезащиты: устройство заземления по СНИП, требования ПУЭ и ГОСТ...
23 06 2026 13:18:56
Выбор выключателей по токовым показателям и по сечению кабеля. Соответствие с ПУЭ и ГОСТ Р 50345–99. Временные хаpaктеристики автоматического выключателя. Типовой расчет автоматических выключателей....
22 06 2026 8:16:16
Расчет параметров катушки индуктивности: как рассчитать индуктивность однослойной намотки и прямого провода. Дроссель с сердечником: рассчитываем параметры обмотки, намотанной на каркас, диаметром намного меньше длины. Формулы....
21 06 2026 9:35:26
Особенности контактной сварки. Точечная сварка аккумуляторов: изготовление сварочного аппарата. Сборка сварки для аккумуляторов: необходимые материалы и схемы сборки. Инструкция по эксплуатации самодельного аппарата точечной сварки для аккумуляторов....
20 06 2026 9:21:18
Подразделение видов выключателей нагрузки. Хаpaктеристики выключателей нагрузки по типу и назначению. Бытовой выключатель нагрузки. Классификация приборов по типу привода и токоограничению....
19 06 2026 5:13:54
Типы и строение кабелей ВВГ ПНГ А: расшифровка обозначений. Кабель силовой плоский ВВГ-Пнг (А). Определение конструкции по маркировке и внешней оболочке кабеля. Назначение и области применения провода ВВГ ПНГ (А)....
18 06 2026 19:58:46
Пошаговая инструкция по штробированию стен своими руками. Подготовка план-эскиза и разметка стен. Выбор нужных инструментов для выполнения данных работ....
17 06 2026 15:26:14
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...
16 06 2026 6:46:46
Что нужно для переделки инвертора. Устройство агрегата: узел подачи расходного материала и горелка. Электронный управляющий модуль. Изготовление полуавтомата из инвертора своими руками. Опробование полуавтомата в работе....
15 06 2026 17:55:10
Что такое дин-рейка. Клеммы (клемники) и клеммные колодки для DIN реек. Какими бывают клеммные зажимы: проходной с зажимом пружиной, клеммы с размыкающим приспособлением и пр....
14 06 2026 18:59:13
Определение ротора и статора. Виды электромеханических устройств: асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором. Типы роторов: фазный и короткозамкнутый ротор....
13 06 2026 13:10:49
Определение работы электротока. Как выглядит формула по которой измеряется работа электрического тока. Определение мощности тока с помощью формулы. Производные единицы мощности и работы....
12 06 2026 19:47:18
Какой вред от разбитой люминесцентной лампы и советы как правильно и лучше всего утилизировать осколки, и очистить помещение от ртути....
11 06 2026 9:47:13
Какова процеДypa пломбирования счетчика, кто отвечает за это и все необходимые для опломбирования документы вы найдете в этой статье!...
10 06 2026 20:48:51
Что такое провод СИП: хаpaктеристика самонесущего изолированного провода, конструкция и состав. Преимущества СИП-кабеля. Виды кабелей СИП, правила монтажа самонесущих изолированных проводов....
09 06 2026 23:37:30
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
