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
Способы подключения ламп через один, два выключателя, датчик движения или проходные выключатели, а также параллельное и последовательное подключение....
13 10 2026 16:58:21
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....
12 10 2026 23:12:19
Единицы измерения освещенности. Формулы вычисление конкретного значения кандел, люменов и люксов. Обозначения на источниках света. Рекомендуемые значения освещённости разных жилых помещений....
11 10 2026 13:45:28
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....
10 10 2026 22:43:46
Возможности релейного стабилизатора напряжения с цифровым дисплеем. Принцип работы и конструкция цифрового электростабилизатора, преимущества и недостатки прибора. Виды релейных стабилизаторов. Хаpaктеристики СНЦ....
09 10 2026 7:54:26
Принцип работы блока питания для антенны. Как правильно подключить БП. Возможные неисправности блоков питания для антенн. Выбор оптимального напряжения и мощности. Обзор китайских устройств....
08 10 2026 0:36:37
Когда нужна установка нового прибора. Общий порядок и требования к замене электросчетчика в квартире. Разграничение зон ответственности. В каких случаях можно заменить электросчетчик в квартирах бесплатно....
07 10 2026 5:44:32
Как узнать свою схему: трёхфазное или однофазное подключение. Как рассчитать мощность трехфазной сети электрического тока: формулы для расчета мощностных показателей. Расчет тока по мощности в трехфазной сети....
06 10 2026 6:40:25
Изготовление осциллографа своими руками в домашних условиях. USB-осциллограф. Осциллографы из звуковых плат компьютера или ноутбука. Модернизация (доработка) планшета. Программа для получения осциллограмм....
05 10 2026 10:52:47
Учёт расхода электроэнергии по мощности электрооборудования. Влияние на расход электрической энергии применения ламп накаливания, светодиодных или энергосберегающих источников освещения. Как провести расчёт потрeбления электроэнергии бытовыми приборами....
04 10 2026 12:33:28
Обустройство параллельного включения. Последовательное и смешанное подключение. Соединение проводников. О параллельном подключении лампочек: схема подключения, обозначения на схеме....
03 10 2026 17:40:28
Как правильно выбрать кабель питания для компьютера и монитора: критерии выбора и на что обратить внимание. Основные хаpaктеристики сетевых шнуров для системных блоков: длина, тип вилки, цвет. Что зависит от качества сетевого кабеля для ПК....
02 10 2026 10:50:57
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....
01 10 2026 10:34:59
Какие элементы питания лучше для шуруповертов: литиевые или никеливые. Сроки службы АКБ шуруповертов. Сравнительные рейтинги аккумуляторов. Возможна ли переделка шуруповерта под другой тип аккумулятора....
30 09 2026 10:42:50
Какой вред от разбитой люминесцентной лампы и советы как правильно и лучше всего утилизировать осколки, и очистить помещение от ртути....
29 09 2026 19:48:54
Полуволновой и полноволновой выпрямители напряжения. Определение двухполупериодного выпрямителя с нулевым входом. Схема двухполупериодных выпрямителей диодный мост. Сглаживание пульсаций. Трехфазный выпрямитель....
28 09 2026 7:28:56
Назначение металлоискателя Терминатор 3. Изготовление и настройка прибора металлоискатель Терминатор-3 своими руками. Преимущества и недостатки устройства. Область применения металлоискателей Терминатор3....
27 09 2026 21:44:34
Рекуперативное торможение: достоинства и недостатки. Как работает система рекуперации. Что такое силовой спуск. Рекуперация на трaнcпорте: применение в электромобилях, электровелосипедах и на железной дороге. Торможение асинхронных двигателей....
26 09 2026 16:26:51
Потери тепла через внешнюю оболочку и способы оценки теплопотерь дома. Пример расчета теплопотери жилых домов. Расчет тепловых потерь на вентиляцию. Рассчитываем теплопотерю строений с помощью онлайн калькуляторов....
25 09 2026 0:15:57
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....
24 09 2026 6:31:50
При расчете освещения учитываются особенности помещения, условия труда и другие параметры. Вычислениями определяется необходимое количество светильников....
23 09 2026 22:50:24
Назначение люксометров. Устройство и принцип функционирования прибора. Правила измерительного процесса люксометром. Как выбрать подходящий прибор. Комплектации устройств....
22 09 2026 20:18:41
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
21 09 2026 7:54:48
Сейчас существует множество видов розеток, но для разных потребностей существуют различные методы их защиты. Мы расскажем как в них ориентироваться....
20 09 2026 20:35:52
Показатели качества электрической энергии, средства измерения и принцип их действия можно освоить самому! А так же понять зачем это нужно....
19 09 2026 13:26:28
Подключение и установка наружной розетки дело важное, она должна соответствовать параметрам необходимым для безопасного использования....
18 09 2026 9:55:58
Зачем нужно заземление. Как выглядит знак заземления, о чем он информирует. Знаки заземления на электрических схемах....
17 09 2026 21:22:18
Категории сотрудников, допускаемые к работам в электроустановках. Виды допусков для выполнения работ на электрических установках. Нормативные документы о периодичности обучения электробезопасности на предприятиях....
16 09 2026 6:22:53
Самодельный терморегулятор с датчиками температуры для погреба. Расположение оборудование в погребе. Электробезопасность и правила заземления приборов. Что необходимо учесть при выборе термостата....
15 09 2026 3:33:59
Самодельный металлоискатель: схема и подробное описание сборки. Сборка глубинного металлоискателя на транзисторах. Этапы изготовления платы. Принцип работы металлоискателей, устройство приборов. Металлоискатели: различие, мощность, области применения....
14 09 2026 12:37:10
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы lll по электробезопасности...
13 09 2026 6:11:41
Полная инструкция по проектированию и расчету электропроводки в частном доме, а также выбор проводника и защитной аппаратуры. Прокладка кабеля и заземление....
12 09 2026 3:56:53
Электротехнический плинтус предназначен для укладки электрических проводов, а также для осуществления подсветки в помещении и отопления выполняют важную роль....
11 09 2026 8:29:28
Правила установки устройства защиты. Подключение УЗО, подключение УЗО с заземлением. Как установить УЗО без ошибок....
10 09 2026 15:55:39
Как правильно выбрать и смонтировать освещение в гараже, а также различные варианты его расположения. Безопасность при разводке освещения в гараже....
09 09 2026 2:13:36
Понятие и классическая формулировка закона Ома для неоднородного участка цепи. Что такое неоднородная цепь. Применение закона для неоднородных участков....
08 09 2026 3:38:58
Описание и специфические качества рабочей структуры диода Шоттки IN5822. Технические хаpaктеристики диодов типа IN 5822. Преимущества и недостатки свойственные диоду IN-5822....
07 09 2026 10:17:39
Виды терморегуляторов: механические и электронные — преимущества и недостатки. Двухзонный (двухзональный) термостат: особенности устройства и подключения. Терморегуляторы 12В: правила установки. Сравнительный обзор термостатов....
06 09 2026 17:55:16
Что такое электрическое напряжение: формула для вычисления. Основные факторы, влияющие на норматив напряжения электрических токов. Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков....
05 09 2026 3:39:50
Ртутные лампы не требуют грамотного подхода к их использованию и применяются в различных отраслях сельского и промышленного хозяйства, а также в быту....
04 09 2026 16:16:41
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля ВББШВНГ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. ВББШВНГ-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Конструкция провода ВББШВНГ....
03 09 2026 3:18:18
Виды существующих аккумуляторных батарей: от электрохимических до световых. Разновидности свинцово-кислотных батарей. Расшифровка аббревиатур и технические хаpaктеристики различных видов аккумуляторов....
02 09 2026 11:41:56
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....
01 09 2026 9:35:42
Виды и особенности литий ионных аккумуляторов. Принцип работы и конструкция литий-ионных аккумуляторных батарей. Проверка литиевой АКБ. Области применения литиевого аккумулятора. Обслуживание и ремонт....
31 08 2026 15:47:19
Расчет расхода электроэнергии с помощью формул и специальных калькуляторов это важная задача для планирования семейного бюджета, это просто!...
30 08 2026 14:32:23
Виды электрических счетчиков. Устройство и принцип работы электросчетчика. Электронные приборы учета: особенности подключения. Об устройстве электросчетчиков: принцип работы электрического счетчика....
29 08 2026 11:35:16
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....
28 08 2026 11:10:10
Организация комиссии по проверке знаний по электробезопасности. Типы и регулярность проверок. Главные требования и основные правила по созданию комиссий для проверки знаний по электробезопасности....
27 08 2026 9:41:20
Виды соединений проводов и жил кабеля: от обычной скрутки до соединительной муфты. Преимущества термоусаживаемых соединительных муфт. Муфта соединительная термоусаживаемая: особенности производства ТСКМ....
26 08 2026 12:36:15
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....
25 08 2026 7:48:43
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
