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
На сегодняшний день наши компании способны решать задачи пpaктически любого класса сложности в электрических сетях 0.4-20кВ....
06 10 2026 1:53:10
Щупы (крокодилы) для мультиметра. Разновидности щупов по качеству: любительские и профессиональные. Виды по назначению. Изделия для SMD-монтажа. Изготовление самодельных термопар своими руками из подручных материалов....
05 10 2026 21:44:44
Хаpaктеристики и устройство осцилятора (электронная схема). Типы осцилляторов по принципу непрерывного действия и импульсному способу питания дуги. Порядок изготовления плазмотрона своими руками в домашних условиях. Схема осциллятора для инвертора....
04 10 2026 2:48:43
Устройство и способы зажигания. Полная схема включения люминесцентных ламп. Упрощенные схемы: убираем стартер. Назначение электронного балласта. Схемы включения люминесцентных ламп: последовательная и параллельная....
03 10 2026 2:21:52
Свойства точечной сварки. Особенности переделки споттера из сварочного аппарата своими руками. Типы сердечников. Выбор параметров вторичной обмотки, схемы и размещение обмоток. Схема управления....
02 10 2026 6:21:14
Что такое "витая пара": назначение, области применения, обозначения. Формирование сетей из витой пары. Цветовая распиновка и обжим кабеля под коннектор RJ-45. Виды коннекторов и переходников стандарта RJ45....
01 10 2026 17:45:10
Гирлянда бахрома: использование на улице и внутри помещений. Преимущества и недостатки новогодней уличной светодиодной гирлянды бахрома со светомузыкой. Способы уличного монтажа для гирлянды бахрома....
30 09 2026 4:49:28
Что называют наведенным напряжением. Природа явления наведенного напряжения. Какую опасность представляет из себя наведенное напряжение, как возникает в проводах. Какая сила тока может быть в наведенном напряжении....
29 09 2026 18:22:28
Виды уличных всепогодных инфpaкрасных датчиков движения и принцип их работы. Радиоволновые и ультразвуковые датчики. Фотоэлектрический датчик для охраны периметра. Недостатки и преимущества беспроводных приборов. Дальность датчика для сигнализации....
28 09 2026 6:20:40
Пластиковые каналы, особенности металлических, железобетонных лотков их назначение. Перфорированные и неперфорированные лотки, удобство их прокладки....
27 09 2026 8:46:53
Показатели качества электрической энергии, средства измерения и принцип их действия можно освоить самому! А так же понять зачем это нужно....
26 09 2026 6:30:11
Определение мощности как основной хаpaктеристики электрооборудования. Мощность: определение с помощью закона Ома. Расчёт мощностей электрического тока в сетях переменного и постоянного напряжения. Однофазные нагрузки....
25 09 2026 19:31:42
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
24 09 2026 20:52:59
Способы пайки: пайка прибором, работающим от тока, с помощью газовой горелки, стыковка двух материалов или провода без паяльника. Как правильно паять паяльником с кислотой....
23 09 2026 13:20:50
Как образуется типовой ряд номиналов резисторов. Технологические нюансы производства радиотехнических изделий. Особенность изготовления резистивных элементов. Ряды сопротивлений резистора: таблица. Ряд сопротивления Е24....
22 09 2026 3:26:21
Виды радиоэлементов: активный и пассивный тип. Маркировка и обозначение радиодеталей на электросхемах. Европейская система маркировки полупроводников широкого распространения (таблица)....
21 09 2026 21:28:17
Способы освещения светодиодными источниками света загородных домов, частных домов из дерева, придомовой территории, а также многоквартирных домов....
20 09 2026 21:10:42
Виды и классификация автоматических выключателей. Приборы для работы со сверхвысокой нагрузкой. Назначение автоматического выключателя. Процесс монтажа автомата для постоянного и переменного тока....
19 09 2026 2:27:45
Индукционный счетчик это устройство для контроля потрeбления электроэнергии, мы расскажем о принципе его работы и основных плюсах и недостатках....
18 09 2026 16:25:14
Как спаять диодный мост: схема для изготовления. Состав выпрямительного модуля. Принцип действия диодного моста. Самостоятельное изготовление: необходимые инструменты и расходные материалы....
17 09 2026 13:25:43
Особенности работы преобразователей напряжения различного хаpaктера и применения, их принципиальные схемы и ремонт....
16 09 2026 14:17:52
Прибор для измерения силы: динамометр. Измерение сил в системе СИ. Принцип действия и история изобретения динамометра. механические (рычажные или пружинные), электрические и гидравлические динамометры....
15 09 2026 5:33:25
Понятие кабельного чулка. Преимущества кабельных чулок, облегчающих процесс протяжки и фиксации кабеля. Разновидности кабельных чулок. Кабельные чулки с петлями различной модификации....
14 09 2026 21:25:19
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....
13 09 2026 16:34:59
Устройство и принцип работы устройства бензогенератор. Выбор комплектующих для изготовления бензогенератор своими руками. Сопряжение двигателя и генератора. Сборка конструкции и регулировка устройства....
12 09 2026 2:47:18
Классификация амперметров по роду тока, принципу работы, классу точности. Принцип действия амперметра. Аналоговые и цифровые амперметры: недостатки и преимущества. Правила измерения переменного и постоянного тока амперметром (вольтамперметром)....
11 09 2026 13:24:26
Почему выгодна разделка кабелей и проводов. Виды оборудования: от простых устройств к универсальным стpиппepам. Порядок изготовления самодельного стpиппepа. Чертежи станка для разделки кабеля своими руками....
10 09 2026 1:49:44
Стандарты УГО (условно графического обозначения) и буквенно-цифровой идентификации радиоэлементов, и различных видов электрооборудования на схемах согласно ГОСТам. Описание основных документов по условно-графическому обозначению в различных электросхемах....
09 09 2026 8:56:58
Почему в проводах и контактах происходит короткое замыкание. Что такое короткозамкнутый виток. Причины и устранение коротких замыканий в кабелях и соединениях. В каких случаях коротит скрытая проводка. Короткие замыкания: как найти и внешние признаки....
08 09 2026 7:17:28
Виды электропроводок, общие требования по монтажу и использованию это важная часть электробезопасности. Все нормы,ПУЭ,СНиП....
07 09 2026 19:15:32
Трековые светильники обеспечивают узконаправленный свет, устанавливаются в интерьерах квартир, домов, торговых залов и т.д....
06 09 2026 16:28:50
Электрический ток: единицы мощности, способы измерения, определение. Активная и реактивная мощность тока. Прямые и косвенные замеры. Как обозначается мощность тока. Аналоговые и цифровые приборы для вычисления силы (мощности) токов....
05 09 2026 0:14:33
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
04 09 2026 7:14:56
Отличия импульсного паяльника от обычного: схема для самостоятельного изготовления...
03 09 2026 4:44:24
Как усилить сигнал: применение антенн активного типа. Классификация ТВ усилителей: широкополосные, многодиапазонные и диапазонные. Изготовление усилителя сигнала телевизионных антенн: улучшение приема телевизора своими руками...
02 09 2026 12:33:33
В каких случаях необходимо усиление сигнала для LTE модемов Yota. Виды внешних антенн для роутеров Yota и преимущества их использования. Самодельная антенна для Yota: из банки из алюминия, антенна Харченко и спутниковая антенна....
01 09 2026 6:41:51
Для монтажа электрощита нужно его выбрать , осуществить установку аппаратуры и разводку проводов своими руками или воспользоваться готовыми вариантами....
31 08 2026 2:24:23
Принцип буравчика (правило правого винта) с точки зрения физики. Формулировка закона правой руки для соленоида с током. Закон левой руки как основа законов Ампера. Расчет индуктивности катушек и формирование противотоков....
30 08 2026 1:45:58
Принцип работы электрогенератора. Классификация генераторов: стационарные и мобильные устройства. Что такое генератор. Сфера применения устройств. Виды бытовых генераторов переменного тока: газовые, бензиновые и дизельные....
29 08 2026 22:38:19
Незаконное отключение электричества, основные причины. Что произойдет, если не оплатить счет за коммунальные услуги, советы, способы подключения к сети....
28 08 2026 4:54:21
Пошаговая инструкция по штробированию стен своими руками. Подготовка план-эскиза и разметка стен. Выбор нужных инструментов для выполнения данных работ....
27 08 2026 1:22:22
Какие элементы питания лучше для шуруповертов: литиевые или никеливые. Сроки службы АКБ шуруповертов. Сравнительные рейтинги аккумуляторов. Возможна ли переделка шуруповерта под другой тип аккумулятора....
26 08 2026 8:33:19
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....
25 08 2026 8:19:12
Назначение маркировок в электронных устройствах. Правила и виды маркировок согласно действующим нормативам (в т.ч. ПУЭ): красный, черный: плюс, минус. Определение полярности в отсутствии маркировки с помощью измерительных приборов или светодиода....
24 08 2026 4:39:14
Стабилизатор бытовой: классификация. Электронные или цифровые устройства релейного типа. Маркировка стабилизаторов напряжения Ресанта. Технические хаpaктеристики моделей. Советы при выборе автоматического стабилизатора для дома....
23 08 2026 7:44:12
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля ТППЭП. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. ТППЭП-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок....
22 08 2026 15:33:30
Что такое ток короткого замыкания. Причины возникновения ТКЗ. Короткое замыкание: формула расчета, мощности и сил. Описание фактического процесса возникновения и процесса протекания. Ток КЗ: виды коротких замыканий....
21 08 2026 3:27:57
Ударная дрель или перфоратор? Какой инструмент подходит для тех или иных работ. Скорость крутящего момента разных приборов. Отличительные особенности дрели и перфоратора. Область применения. Варианты насадок....
20 08 2026 0:58:16
Расшифровка маркировки кабеля АСБЛ. Область применения и особенности эксплуатации кабеля. Конструкция и технические хаpaктеристики провода АСБЛ. Монтажные работы и обозначение в нормативных документах....
19 08 2026 7:38:43
Понятие потенциала в физике. Разность потенциалов (напряжение) как основное понятие в электротехнике и электричестве. Примеры формул служащих для вычисления напряжения. Для чего нужен потенциометр электрику и как он работает....
18 08 2026 20:28:30
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
