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
Ртутные лампы не требуют грамотного подхода к их использованию и применяются в различных отраслях сельского и промышленного хозяйства, а также в быту....
15 06 2026 14:27:53
Что нужно знать о радиотехнике и радиоэлектронике начинающему радиолюбителю. Какие нужны инструменты, материалы и измерительные приборы. Паяльник для начинающего радиолюбителя. Техника безопасности. Полезные советы....
14 06 2026 19:21:12
Что называют электрическим током. В каких единицах измеряется сила или величина электрического тока. Что представляет собой электрический ток. Проводники и полупроводники. Законы для электротока. Хаpaктеристики электроцепи....
13 06 2026 12:54:36
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....
12 06 2026 4:48:40
Основное назначение и применение кабельных гермовводов. Конструктивные особенности сальника кабеля. Основные критерии выбора кабельного гермоввода. Кабельные гермовводы (сальники): типы и классификация....
11 06 2026 1:26:45
Подробное описание самостоятельного подключения дифференциального автомата, анализ основных ошибок установки, схемы и рекомендации по теме...
10 06 2026 16:56:38
Определение тока Фуко. История открытия. Варианты уменьшения силы вихревого потока. Применения токов Фуко. Вихревые потоки, возникающие под воздействием электромагнитной индукции в металлическом, а также любом другом проводнике....
09 06 2026 12:35:18
Что такое трaнcформатор и в каких сферах он применяется. Габаритная мощность и КПД трaнcформатора. Т-образная схема замещения трaнcформатора. Особенности преобразования переменного тока в трaнcформаторе. Режимы работы трaнcформатора....
08 06 2026 2:22:46
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....
07 06 2026 15:22:27
Счётчики старого и нового образца их отличие. Типы устаревших счётчиков. Для начала нужно разобраться какие, вообще, бывают счётчики....
06 06 2026 15:55:56
Освещение в спальне устанавливается в виде потолочных, настенных и настольных светильников, выбор которых зависит от нескольких факторов....
05 06 2026 0:36:30
Определение мощности стабилизатора. Методики расчёта мощности СН по техническим хаpaктеристикам и таблицам максимальных нагрузок. Онлайн калькуляторы для расчета мощностей стабилизаторов. Мощный стабилизатор напряжения: виды устройств....
04 06 2026 6:51:50
Бактерицидные лампы – источники освещения, позволяющие очистить воздух помещения и воду от бактерий различного происхождения....
03 06 2026 6:59:36
Что такое электробезопасность на предприятии: нормы, меры и нюансы. К каким категориям относится персонал и требования по безопасности. Что запрещают правила по электробезопасности. Проверка знаний персонала....
02 06 2026 5:41:25
Слово электроэнергия не часто встречается в повседневной жизни, но без нее уже не мыслим современный мир. Давайте разберемся что же это такое!...
01 06 2026 0:58:54
Принцип работы сетевого фильтра: измерение выхода системы через конденсатор. Как изготовить сетевой фильтр самостоятельно: схемы распайки и подключения элементов цепи. Изготовление сетевых фильтров своими руками на основе двухобмоточного дросселя....
31 05 2026 21:21:20
Для чего нужен тестер напряжения. Виды тестеров напряжений. Аналоговые мультиметры и цифровые тестировщики. LAN приборы. Общая методология исследований. Как правильно работать с тестером напряжения....
30 05 2026 15:45:31
Устройство механизма шуруповерта и принцип действия прибора. Конструкция аккумулятора и типы аккумуляторных батарей. Переделка шуруповерта на питание от сети 220В. Использование внешнего блока питания....
29 05 2026 15:52:31
Соединительные зажимы для монтажа самонесущих изолированных проводов. Классификация прокалывающих зажимов для СИП. Монтаж прокалывающего зажима. Основные производители устройств. Основные ошибки при соединении СИП-кабелей....
28 05 2026 7:24:39
Классификация клеммников, преимущества и недостатки устройств. Самозажимной пружинный клеммник - простота и надежность применения. Недостатки быстрозажимного клеммника. Как правильно выбрать клеммники....
27 05 2026 23:39:33
Как можно рассчитать число ампер в сети с применением закона Ома. Амперы как единицы измерения силы. Таблица единиц измерения и расчета мощности и напряжения. Для чего нужен амперметр. Техника безопасности при работе с электрическим током....
26 05 2026 14:46:17
Разница между пассатижами и плоскогубцами. Виды инструмента: диэлектрический, слесарный, пассатижи для люверсов. Плоскогубцы или плоскозубцы - есть ли разница. Рекомендации по выбору изделий....
25 05 2026 12:11:44
Чем отличаются провод и кабель. Расчет нагрузки на проводку в квартире. Расчет сечения провода для электропроводки. Наиболее популярные кабели. Типы проводов: маркировки и расшифровка обозначений....
24 05 2026 2:34:21
Принцип действия сенсорных выключателей, их применение и типы. Схемы на полупроводниковых приборах. Преимущество эксплуатации таких выключателей....
23 05 2026 18:53:30
Легальные и незаконные способы экономии електричества. Энергосберегающий прибор, основные правила работы. Принципиальная схема устройства своими руками....
22 05 2026 16:46:43
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....
21 05 2026 16:49:48
Расчет расхода электроэнергии с помощью формул и специальных калькуляторов это важная задача для планирования семейного бюджета, это просто!...
20 05 2026 23:37:30
Зачем нужны гирлянды метеоритный дождь. Как и где применять гирлянду падающий дождь. Устройство электрической гирлянды звездный дождь. Самостоятельное изготовление гирлянды занавес звезды....
19 05 2026 10:22:13
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....
18 05 2026 3:35:28
Что такое тепловой конвектор, устройство конвектора. Тип разогрева воздуха в разных моделях отопительного электрического устройства. Принцип работы тепловых конвекторов. Преимущества и недостатки теплового конвектора....
17 05 2026 20:23:14
Для чего применяются таймеры и рале времени, их различия и модификация. Правильный выбор нужного таймера....
16 05 2026 12:58:11
Кварцевые резонаторы: технический элемент резонансных схем. Принцип действия. Устройство резонатора. Для чего нужен кварцевый резонатор. Отличия кварцевого резонатора от кварцевого генератора....
15 05 2026 0:54:29
Виды проверки знаний по электробезопасности на предприятиях. Группы электротехнического персонала. Что входит в тестирование и какие знания сотрудников проверяются. Сроки проведения проверки....
14 05 2026 6:46:23
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....
13 05 2026 9:55:41
Как сделать паяльник 220в своими руками в домашних условиях . Материалы для изготовления жала. Паяльник из проволочного резистора. Самостоятельная сборка мини паяльника. Этапы изготовления паяльников. Общие принципы самостоятельной сборки приборов....
12 05 2026 15:18:44
Устройство и параметры АКБ-18650. Защитная электронная плата аккумуляторной батареи 18650. Аккумулятор АКБ18650: выбор производителей лучшей батарейки. Механическая защита, емкость и токоотдача аккумулятора....
11 05 2026 5:35:45
Опломбировка электросчетчиков. Виды пломб. Процесс пломбировки счетчика. Как выглядит специализированная заводская пломба, гарантирующая полную исправность и бесперебойную работоспособность электросчетчика....
10 05 2026 14:59:44
Что такое тепловизор, его классификация и где он применяется. Особенности тепловизионного контроля за нагревом дефектных частей электрооборудования....
09 05 2026 5:10:37
Проект освещения должен выполняться специалистами. Выполняя такое проектирование самостоятельно, необходимо знание определенных норм и правил....
08 05 2026 0:56:19
Что представляет собой короткое замыкание. Причины возникновения короткого замыкания. Виды коротких замыканий. Защита от КЗ. Виды пpeдoxpaнителей и автоматических выключателей. Что такое УЗО....
07 05 2026 20:25:34
Принцип работы и особенности дистанционного выключателя света с пультом. Инфpaкрасные (ИК) устройства. Обзор дистанционных включателей света с пультом. Порядок самостоятельного подключения устройств....
06 05 2026 18:34:15
Что такое ОДН по электроэнергии? Нормативы на ОДН по электроэнергии в многоквартирных домах в разных регионах. Порядок расчета ОДН по общедомовому счетчику. Сверхнормативное потрeбление электроэнергии на общедомовые нужды....
05 05 2026 0:15:35
Виды преобразовательных агрегатов (инверторов напряжения, преобразователей тока и т.п.) Особенности тиристорного управления. Схемные решения преобразователей на основе тиристоров. Последовательные и параллельные инверторы тока....
04 05 2026 21:44:39
Частота вращения: формула. Синхронные и асинхронные электромашины. Синхронная скорость и скольжение. Расчет и регулировка частоты вращений. Номинальная скорость вращения в двигателях постоянного тока....
03 05 2026 23:32:45
Особенности выбора автомобильной аккумуляторной батареи. Выбор АКБ по параметрам двигателя автомобиля. Параметры разрядки, габариты, дата выпуска аккумулятора. Производители аккумуляторных батарей. Рейтинг лучших автомобильных аккумуляторов....
02 05 2026 13:54:19
Подразделения конденсаторов по возможности изменения емкости. Основные параметры и сокращенные обозначения. Конденсатор: принципы подбора и определение мощности гасящего или балластного конденсатора. Можно ли поставить конденсатор большей емкости....
01 05 2026 13:59:44
Цифровой двухпороговый и двухрежимный – бескорпусный термостат W1209: краткий обзор модуля. Технические хаpaктеристики, достоинства и недостатки термостата W-1209. Настройка и работа терморегулятора....
30 04 2026 15:45:28
Подключение с использованием блока защиты. Как изготовить блок защиты самостоятельно: принцип работы устройства. Использование диммирования. Микросхемы для фазового регулирования....
28 04 2026 11:14:36
Справка о реактивной мощности: в каких единицах измеряется. Реактивная нагрузка: емкостная и индуктивная. Что такое треугольник мощностей. Потери тока из-за действия реактивных мощностей. Коэффициент мощности. Формула полных мощностей....
27 04 2026 11:25:43
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
