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
Общая классификация и назначение кабелей типа "витая пара": экранированные и неэкранированные кабеля. Устройство витых пар и правила соединения с помощью коннекторов RJ45. Особенности маркировки, материал и сечение проводника....
25 05 2026 9:30:27
Единицы освещения и формула для расчета освещенности. Человеческий фактор и хаpaктер деятельности при расчете измерения света. Приборы для определения уровня освещенности и методика его определения. Способы измерений. Важность величины пульсации....
24 05 2026 15:44:25
Установка счетчика задача посильная даже не профессионалу. Нужно пройти несколько этапов: выбор, монтаж, и подключение электросчетчика!...
23 05 2026 6:58:47
Основные понятия: сечение провода и плотность тока, длительно допустимые токи. Примеры вычислений (формулы, правила). Токовые нагрузки по сечению кабеля: таблицы сечений медных проводников. Сколько киловатт выдерживает кабель 3х4....
22 05 2026 8:17:35
Кабеля и их классификация, различие кабельной продукции по материалу изготовления, параметрам экранирования и т.п. По каким признакам и свойствам классифицируются провода. Чем отличается кабель от провода....
20 05 2026 20:55:49
Маркировка проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция КВВГ: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики КВВГ-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов КВВГ (таблица)....
19 05 2026 3:34:40
Коммерческий учет это финансовый расчет между предприятием поставляющим электрическую энергию или производящими ее и конечным потребителем....
18 05 2026 8:54:41
Электронный запуск люминесцентных ламп с помощью ЭПРА, его принцип работы, подключение, распространённые неисправности, и советы по выбору балластника....
17 05 2026 1:20:19
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....
16 05 2026 16:18:42
Экстренная реанимация батареи "на один звонок". Использование пальчиковой батарейки. Солнечные батареи и переносные зарядные устройства. Зарядка для телефона без розетки за городом и на отдыхе....
15 05 2026 19:52:31
Среди источников искусственного освещения чаще всего выбирают лампы дневного освещения люминесцентного и светодиодного типов....
14 05 2026 17:17:31
Виды преобразователей напряжения и свойства. Основные принципиальные схемы. Советы по выбору импульсных преобразователей и стабилизаторов....
13 05 2026 9:10:35
Основные определения и правила прокладки электропроводки. Прокладка проводов выполняется после составления исполнительной схемы, учитывая некоторые нюансы....
12 05 2026 1:14:42
Назначение и принцип работы терморегуляторов с датчиком температуры воздуха. Важные функции выполняемые термореле или термостатом. Особенности датчиков температур. Особенности эксплуатации терморегулятора оснащенного выносными датчиками....
11 05 2026 18:41:50
Светодиоды для аквариума - важная составляющая системы жизнеобеспечения и комфортные условия существования организмов-гидробионтов....
10 05 2026 9:26:28
Соединительные зажимы для монтажа самонесущих изолированных проводов. Классификация прокалывающих зажимов для СИП. Монтаж прокалывающего зажима. Основные производители устройств. Основные ошибки при соединении СИП-кабелей....
09 05 2026 10:20:55
Принцип селективности и понятие карты селективностей в электрических цепях. Абсолютная и относительная избирательность для электросети отдельного объекта. Методы построения и виды систем селективной защиты. Селективность по току и/или по временному интервалу сpaбатывания защиты....
08 05 2026 21:38:41
Общие сведения и маркировки степеней (классов) IP. Расшифровка маркировок степени защит. Особенности расшифровки. Буквенные дополнения к цифровым индексам. Классы защиты для электрических светильников....
07 05 2026 12:16:14
Главный принцип работы гелевого аккумулятора. Конструкция и особенности гелевых аккумуляторных батарей. Специфика зарядки гелевой батареи. Автомобильная гелевая аккумуляторная батарея: достоинства и недостатки....
06 05 2026 6:26:56
Для чего нужны выпрямители переменного тока. Область применения выпрямителей переменных токов. Классификация: по числу фаз, по управляемости, по значению мощности. Выпрямляем переменный ток в постоянный: полуволновой или полноволновой метод....
05 05 2026 21:56:46
Правила параллельного соединения резисторов. Расчеты мощности и силы тока в проводниках при параллельном соединении резисторов. Примеры формул. Отличия от последовательного и смешанного соединений....
04 05 2026 7:36:50
Что такое дюбель-хомут: применение, разновидности и особенности монтажа электропроводки. Как крепить кабеля без сверления: классификация крепежа. Способы крепления кабеля к стене или потолку с помощью металлического хомута....
03 05 2026 9:14:23
Принцип действия и технические хаpaктеристики вольтметров: электромеханические и электронные аппараты. Подключение вольтметра к цепи переменного и постоянного тока....
02 05 2026 13:39:34
Формирование аттестационных комиссий при образовательных центрах и на предприятиях с энергоустановками. Состав аттестационной комиссии по проверке знаний по электробезопасности на предприятии....
01 05 2026 21:31:54
Конвертация ватт в амперы посредством формулы мощности из школьного курса физики. Перевод ампер в ватты: таблица перевода. Нюансы перевода единиц Вт в А и решаемые задачи (подбор автоматического выключателя, расчет сечения проводки и т.п.)...
30 04 2026 4:25:24
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы lV по электробезопасности...
29 04 2026 17:11:15
Что такое напряжение прикосновения и методы его измерения. Приборы предназначенные для измерения тока напряжения. Меры электробезопасности. Электротравмы: местные и общие (общее поражение электрическим током)....
28 04 2026 15:31:52
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....
27 04 2026 23:16:13
Виды выключателей: наружные и встроенные - преимущества и недостатки. Диммеры, датчики движения, кнопочные и сенсорные выключатели света. Как поменять выключатель своими руками. Необходимые инструменты и расходные материалы....
26 04 2026 15:14:41
Полная инструкция по монтажу и подключению люстры самостоятельно. Подготовительные работы, люстра и выключатель, все виды люстр....
25 04 2026 17:43:16
Принцип работы простейшего электрического дверного звонка. Разновидности в зависимости от назначения. Проводные дверные звонки и беспроводные устройства. Об установке дверных звонков....
24 04 2026 0:44:31
Сущность понятия потенциальной разницы. Формула нахождения ускоряющей разности потенциалов. Что измеряют единицей Кулон. Порядок возникновения заряженных частиц, электростатического поля и их поведение по отношению друг к другу....
22 04 2026 19:31:22
Аварийное освещение имеет ряд требований и является обязательным при строительстве объектов, относящихся к определенной категории....
21 04 2026 2:35:26
Преимущества прокладки кабеля в плинтус очевидны. Но правильный монтаж кабеля залог долговечной работы и избежания неполадок....
20 04 2026 2:35:45
Светильники в стиле лофт изготавливаются из металла, пробки, древесины и стекла. Они должны соответствовать общей концепции отделки интерьера....
19 04 2026 4:53:11
Устройство диммера для паяльника и особенности его работы. Простейшие способы регулировки мощности и нагрева паяльника от наших экспертов....
18 04 2026 3:41:34
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....
17 04 2026 11:36:25
Особенности и виды и типы маркировок конденсаторов. Различия в маркировке конденсаторов по типу: из бумаги или металлобумаги, электролитических, полимерных, пленочных и керамических....
16 04 2026 11:19:40
Общая информация о различных моделях выключателей света использующихся в квартирах. Как снять выключатель со стены: необходимые инструменты. Демонтаж электрических розеток. Общие правила электробезопасности....
15 04 2026 2:35:26
Как поменять счетчик электроэнергии? В первую очередь вам нужно будет обратиться в местное отделение «Энергосбыта» и оформить заявку на замену счётчика....
14 04 2026 15:21:54
Физические термины и терминология. Работа сил, приложенных к системе материальных точек. Работа силы - измерение в физике. Влияние на силу электрического тока физических величин: напряжений и сопротивлений....
13 04 2026 12:26:17
Классические способы генерации электроэнергии: зависимость от источника. Принцип действия генератора с самозапиткой. Обзор радиантных генераторов. Генератор с самозапиткой: собираем трaнcгенератор своими руками....
12 04 2026 17:34:57
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....
11 04 2026 23:34:30
Особенности конструкции энергосберегающих ламп. Достоинства и недостатки энергосберегающей лампы. Таблица мощности и классификация энергосберегающих источников освещения. Как выбрать устройство для освещения....
10 04 2026 19:56:22
Какой кабель нужен для подключения плиты? Если плита оснащена реле и адаптерами, прилагаемыми вилками и монтажными коробками, считайте, что повезло....
09 04 2026 14:26:40
Устройство коаксиального кабеля: назначение и параметры основных составляющих, марки и хаpaктеристики. Коэффициент экранирования телевизионных кабелей. Какой кабель лучше выбрать для спутникового ТВ....
08 04 2026 2:13:30
Формулирование закона электромагнитной индукции (закон Фарадея). Опыты с электромагнитыми катушками. ЭДС индукции в проводнике: расчет индуктивного напряжения. Законы электролиза. Электромагнитная индукция: история и современное применение....
07 04 2026 11:27:16
Что такое плоский конденсатор: рассчитываем напряжение по формуле. От чего зависит электроемкость плоского конденсатора. Заряд и разряд, расчет электроемкости плоских конденсаторов. Как проверить емкость плоского конденсатора....
06 04 2026 0:56:32
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
