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
Как сделать штроборез для газобетонных стен с пылезащитным кожухом из профтрубы или пластиковой канистры своими руками. Конструкция и принцип работы. Техника штробления. Пошаговая инструкция. Техника безопасности....
03 10 2026 3:45:56
Хаpaктеристики и оценка эффективности бытовых антенн Дельта. Конструкция и параметры антенны Дельта. Порядок подключения к телевизионному приемнику и особенности эксплуатации....
02 10 2026 18:10:33
Освещение бассейна и нюансы в оформлении. Особенности общего освещения. Специфика в организации подводного света. Освещение по контуру и подсвечивание....
01 10 2026 3:41:42
Подключаем проводы к выключателю самостоятельно - в статье собраны советы и правила, а также схемы которые помогут создать разводку кабеля к выключателям....
30 09 2026 7:50:49
Особенности применения цифрового аппарата осциллографа и общие принципы функционирования. Расшифровка осциллограммы. Порядок подключения осциллографов. Возможности двухкaнaльного прибора. Определение угла сдвига фаз на осциллограмме....
29 09 2026 21:26:45
Легальные и незаконные способы экономии електричества. Энергосберегающий прибор, основные правила работы. Принципиальная схема устройства своими руками....
28 09 2026 19:46:54
Электрическое сопротивление тела человека. Человек как проводник электрического тока. Значение полного сопротивления тел людей. Место приложения электротока и значение его показателей. Физиологические факторы и показатели окружающей среды....
27 09 2026 12:39:36
Освещение в спальне устанавливается в виде потолочных, настенных и настольных светильников, выбор которых зависит от нескольких факторов....
26 09 2026 7:10:14
Когда применяются клеммные колодки. Типы клеммных соединений: клеммная колодка, скрутки, ножевые, распределительные и пружинные клеммы. Клеммники для светильников и электропроводки. Назначение клеммных коробок....
25 09 2026 21:23:41
Электронный однофазный счетчик ЦЭ6807: модификации и технические хаpaктеристики. Правила подключения и эксплуатации электрического счетчика "Энергомера" цэ-6807-п. Общие советы по энергосбережению в частном доме и квартире....
24 09 2026 22:51:56
Формула для определения мощности. Измеряем мощность приборами: мультиметр, бытовой ваттметр, прочие электроприборы. Потрeбляемая электроэнергия и способы экономии. Как измерить потрeбляемую мощность электроприбора мультиметром....
23 09 2026 5:13:13
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....
22 09 2026 17:11:26
Для чего нужен тестер напряжения. Виды тестеров напряжений. Аналоговые мультиметры и цифровые тестировщики. LAN приборы. Общая методология исследований. Как правильно работать с тестером напряжения....
21 09 2026 9:25:24
Как выглядит терморегулятор для инкубатора: общие сведения об устройстве. Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов своими руками. Принцип работы оборудования. Особенности сборки термостата....
20 09 2026 7:12:23
Принцип действия сварочного трaнcформатора, его виды и методика расчёта. Улучшение и усовершенствование сварочных аппаратов....
19 09 2026 13:30:27
Заглушки для детей, их виды и модификации. Как сделать правильный выбор и как изготовить простейший вид заглушки своими руками....
18 09 2026 1:44:18
Структурная схема ИП. Выбор питаемого источника. Схема высокочастотного трaнcформатора....
17 09 2026 9:30:42
Определение положительно и отрицательно заряженного электрода. Применение катода и анода в теории и пpaктике. Применение в электрохимии. Использование катодов и анодов в вакуумных электронных приборах. Маркировки....
16 09 2026 3:43:40
Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....
15 09 2026 19:16:42
Сейчас на рынке большое разнообразие декоративных розеток, мы покажем лучшие решения для вас! Керамика, дерево, фарфор и многое другое....
14 09 2026 0:25:49
Особенности подключения электросчетчиков. Выбор счётчика: индукционный или электронный. Схемы подключения прибора учета электроэнергии. Расположение электрического счетчика в щитке. Подключение электросчетчика: правила безопасности....
13 09 2026 8:23:36
Принцип работы и выбор измерительных трaнcформаторов применяемых для учёта электроэнергии. Самые распространённые схемы подключения....
12 09 2026 17:37:28
Что нужно знать о радиотехнике и радиоэлектронике начинающему радиолюбителю. Какие нужны инструменты, материалы и измерительные приборы. Паяльник для начинающего радиолюбителя. Техника безопасности. Полезные советы....
11 09 2026 16:29:11
Как правильно выбрать, произвести монтаж и подключить трехфазный счетчик электроэнергии в домашних условиях без помощи электрика....
10 09 2026 7:40:59
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....
09 09 2026 23:49:33
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....
08 09 2026 4:20:48
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
07 09 2026 20:23:53
Суть закона полного тока. Пpaктическое применение в расчетах: формулы и законы. Напряженность магнитного поля и магнитная индукция. Распространение постулатов Кирхгофа на магнитные и электрические цепи....
06 09 2026 16:18:47
Конденсаторы из тантала и правила маркировки элементов. Виды буквенно-цифровой маркировок конденсаторов. Маркировка для танталовых SMD конденсаторов. Коды напряжения для SMD-тантала....
05 09 2026 13:57:44
Конденсатор 2A-104-J. Общая информация, эксплуатационные и предельные параметры конденсаторов 2A104J. Особенности применения конденсатора 2A 104 J. Плёночные конденсаторы с диэлектриком из полиэтилентерефталата....
04 09 2026 7:27:11
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....
03 09 2026 22:16:37
Описание и виды самонесущих изолированных проводов, преимущества изделий. Монтаж СИП своими руками. Подготовка к работе, прокладка линий, обустройство ответвления требуемой длины. Советы специалистов по прокладке самонесущего изолированного провода....
02 09 2026 19:10:46
О желтых проводах заземления: области применения заземляющих кабелей, правила монтажа (укладки), материалы изготовления. Какой заземляющий кабель лучше использовать. Отличие кабелей по материалу изготовления сердечника (медь или алюминий)....
01 09 2026 8:28:21
Формула скорости потрeбления энергии резистором. Как определить мощность резистора. Типы и обозначения резисторов. Нагрев детали в зависимости от сопротивления. Мощности резисторов: можно ли узнать по размеру детали, расшифровки маркировок....
31 08 2026 0:42:49
Виды преобразователей напряжения и свойства. Основные принципиальные схемы. Советы по выбору импульсных преобразователей и стабилизаторов....
30 08 2026 19:20:24
В чем разница: зануление и заземление в электроустановках. Определение защитного заземления для электроустановок. Основные отличия между защитным занулением и заземлением....
29 08 2026 19:24:40
Классический стабилизатор напряжения 12 вольт. Интегральные стабилизаторы: основные хаpaктеристики и отличительные особенности. Целесообразность использование микросхем серии 1083/84/85 при изготовлении стабилизаторов 12в своими руками....
28 08 2026 18:59:18
Устройство ТВ кабеля. Выбор телевизионного кабеля по параметрам волнового сопротивления, толщине и материалу оплетки. Как соединить телевизионный кабель через переходник или штекером и гнездом. Соединение пайкой....
27 08 2026 6:27:35
Назначение термоэлектрического преобразователя. Принцип работы термопары. Разновидности и конструктивные особенности термопар. Конструктивные особенности термопар, типы и хаpaктеристики....
26 08 2026 9:37:13
При выборе источника света для прожектора необходимо ориентироваться на способность длительно эксплуатироваться без проведения ремонтных работ....
25 08 2026 13:45:26
Классификация типов тока на два вида: постоянный и переменный. Сила тока. Требования к сети и виды квартирных розеток. В розетке постоянный ток или переменный?...
24 08 2026 1:54:48
Сколько потрeбляет инфpaкрасный обогреватель? Усредненные расчеты - суточный расход устройства мощностью 1 кВт составляет 8 кВт, обогреет площадь в 16 м²....
22 08 2026 6:11:48
Как правильно организовать освещение участка. Многообразие способов освещения некоторых зон на территории вокруг загородного дома....
21 08 2026 22:12:32
Выбор низковольтового паяльника 12в. Диапазон использования инструмента. Изготовление паяльника 12 вольт своими руками. Ограничения по мощности автомобильного паяльника. Подключение паяльника к сети автомобиля....
20 08 2026 11:11:24
Чтобы произвести монтаж розеток в доме, нужно подготовить штробы или воспользоваться кабель каналом, установить подрозетники и сделать разводку проводов....
19 08 2026 5:41:29
Применение многоцветной (RGB) ленты. Конструкция led-ленты. Управление цветом rgb-ленты с помощью пульта дистанционного управления. Управление led-лентой при помощи Ардуино. Питание светодиодных ленты....
18 08 2026 1:15:47
Светодиодные светильники потолочного типа встраиваемые, накладные и подвесные нашли применение для освещения площадей офисных помещений....
17 08 2026 16:15:20
Определение магнитного поля. Наглядное отображение линий (векторов) магнитной индукции. Магнитная индукция: определение вектора (направления) и сил взаимодействия катушек с электротоком по формуле. Определение магнитных потоков....
16 08 2026 20:45:25
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
15 08 2026 5:31:14
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
