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
Технические хаpaктеристика кабеля ШВВП. Расшифровка аббревиатуры. Область применения кабельной продукции с индексом ШВВП. Конструкционные особенности проводов ШВВП. Разновидности кабеля ШВВП....
16 09 2026 23:26:28
Структурная схема ИП. Выбор питаемого источника. Схема высокочастотного трaнcформатора....
15 09 2026 6:44:26
Отличительные черты резистора. Принцип работы и области применения. Классифицирование видов резисторов по составу резистивного слоя. Из чего состоит резистор. Для чего нужен резистор в электрической цепи....
13 09 2026 18:34:45
Когда применяются клеммные колодки. Типы клеммных соединений: клеммная колодка, скрутки, ножевые, распределительные и пружинные клеммы. Клеммники для светильников и электропроводки. Назначение клеммных коробок....
12 09 2026 5:42:57
Особенности применения цифрового аппарата осциллографа и общие принципы функционирования. Расшифровка осциллограммы. Порядок подключения осциллографов. Возможности двухкaнaльного прибора. Определение угла сдвига фаз на осциллограмме....
11 09 2026 15:31:54
Полная мощность и ее составляющие. Формула взаимосвязи между общей, активной и реактивной мощностью. Коэффициент мощности (косинус фи) на примере асинхронного двигателя и генератора. Мероприятия по увеличению коэффициента мощности....
10 09 2026 6:38:40
Сложности пайки и лужения алюминия в домашних условиях из-за хаpaктерного металлического налета. Виды высокотемпературного припоя и флюсовая компонента для спаивания алюминиевой проводки. Пайка алюминиевых соединений газовой горелкой....
09 09 2026 6:48:33
Для чего нужен ограничивающий резистор. Расчёт сопротивления резистора и его мощности. Шунтирование светодиодов резистором....
08 09 2026 11:20:18
Устройство телевизионного кабеля. Виды стыковочных соединений коаксиальных проводов. Образование сочлeнений с помощью переходников. Соединение методом скрутки. Как соединить антенный кабель между собой правильно и без потери качества сигнала....
06 09 2026 18:46:38
Принцип работы синхронного генератора. Подробное описание устройства ротора. Реакция якоря и режимы работы СГ. Синхронные генераторы: хаpaктерные черты и принцип работы....
05 09 2026 20:57:12
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....
04 09 2026 22:34:24
Устройство и принцип люминисцентного источника света. Опасности попадания ртути в организм человека. Разбилась лампочка энергосберегающая: что делать, какова опасность для здоровья человека?...
03 09 2026 7:41:43
Понятие и классическая формулировка закона Ома для неоднородного участка цепи. Что такое неоднородная цепь. Применение закона для неоднородных участков....
02 09 2026 3:17:20
Виды вольтамперметров по выводу данных (стрелочные и цифровые) и по способу установки в электроцепь (автономные, встраиваемые и щитовые. Вольтамперметр: основные отличия от амперметра и вольтметра. Схема подключения электронных вольтамперметров....
01 09 2026 15:56:52
Устройство плавного пуска и регулятор оборотов в электроинструменте: принцип действия и назначение устройства. Самостоятельное изготовление УПП в домашних условиях. Электрическая схема для создания блока ПП двигателя электроинструмента....
31 08 2026 16:52:45
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....
30 08 2026 17:51:59
Определение электромагнитного излучения. Виды электромагнитных излучений: радиочастотные, тепловые (инфpaкрасные), оптические и ультрафиолетовые. Природа и классификация источников-излучателей....
29 08 2026 12:23:21
Принцип действия терморезистора. Виды и особенности конструкции терморезисторов, технические хаpaктеристики. Отличие позисторов от термисторов. Терморезистор: области применения, преимущества и недостатки....
28 08 2026 9:54:51
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....
27 08 2026 8:39:37
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....
26 08 2026 17:15:15
Электрический ток и электрическое напряжение в физике и электротехнике. Определение сопротивления и мощности. Взаимосвязь параметров электрической цепи и формула напряжения тока. Основные хаpaктеристики напряжения, электротока и сопротивления...
25 08 2026 10:18:57
Ремонт электрического оборудования важная функция. Правильная организация поможет обеспечить работоспособность и продлить срок службы....
24 08 2026 16:14:40
Главный принцип работы гелевого аккумулятора. Конструкция и особенности гелевых аккумуляторных батарей. Специфика зарядки гелевой батареи. Автомобильная гелевая аккумуляторная батарея: достоинства и недостатки....
23 08 2026 3:31:24
Какие элементы питания лучше для шуруповертов: литиевые или никеливые. Сроки службы АКБ шуруповертов. Сравнительные рейтинги аккумуляторов. Возможна ли переделка шуруповерта под другой тип аккумулятора....
22 08 2026 7:43:38
Сеть с глухозаземленной нейтралью: особенности конструктива. Меры предосторожности при работе в сетях с глухозаземленными нейтралями. Разновидности систем TN. Что такое зануление....
21 08 2026 10:51:58
Принцип действия вакуумного выключателя, его конструктивные особенности, преимущества и недостатки, а также критерии правильного выбора....
20 08 2026 23:32:25
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы ll по электробезопасности...
19 08 2026 16:13:39
Как перевести лошадиные силы в квт. Таблица расхождений при определении лошадиной силы. Пpaктический аспект перевода мощности. Мощность двигателя: переводим лошадиную силу (ЛС) в киловатты....
18 08 2026 2:57:34
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....
17 08 2026 15:59:39
Виды паяльников с регуляторами мощности. Для чего нужна регулировка температуры жала паяльника. Способы самостоятельного изготовления регуляторов мощности для паяльников из резистора, тиристора и симистора. Схемы регуляторов диммерная или ступенчатая....
16 08 2026 9:47:16
Устройство и принцип работы ДД 024. Эксплуатационные и технические параметры инфpaкрасного датчика движения ДД024. Монтаж и схема подключения ДД-024. Настройка датчика движений по трем параметрам....
15 08 2026 11:58:17
Ремонт энергосберегающих ламп, их разборка и самые распространенные неисправности. Ремонт настольных ламп. Советы профессионалов....
14 08 2026 9:28:14
Лампы накаливания широко используемые в быту и промышленности. Они различаются по конструкции, мощности, световой отдаче и дизайну....
13 08 2026 3:27:45
Требования к светодиодным осветительным приборам для уличного освещения и их класификация. Принцип работы и конструкция светильников для магистралей и улиц....
11 08 2026 17:26:30
Материал для изготовления гофротруб. Классификация и размеры гофрированных труб пля прокладки кабелей. Преимущества и недостатки гофротрубы. Правила и порядок монтажа гофрированной трубы для проводки....
10 08 2026 2:57:48
С какой периодичностью следует проводить замеры сопротивления изоляции электропроводки. Основные требования к изоляционному материалу проводников. Нормативы ПУЭ для сопротивления изоляций электропроводки....
09 08 2026 5:12:18
Триггерные схемы на транзисторах, реле и микросхемах. Триггер (Trigger) Шмитта. Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе. Преимущества применения триггерных схем логики....
08 08 2026 20:52:21
Механический терморегулятор: схема работы простого терморегулятора. Терморегуляторы на трех элементах. Термостат для котлов отопления. Цифровой термостат с точной калибровкой на микроконтроллерах....
07 08 2026 1:59:16
Виды устройства электрокоммуникаций и правила устройства электроустановок (ПУЭ). Ориентировочная таблица сечений проводов. Для чего нужна маркировка электросетей. Назначение бирки на кабеле. Информация на бирке....
06 08 2026 20:45:46
Правило и применение делителя напряжений в радиоэлектронике. Принцип делителей напряжений, виды схем и расчетные формулы. Закон Кирхгофа и закон Ома. Примеры расчетов. Калькулятор онлайн....
05 08 2026 9:53:37
Что такое dc ток. Определение постоянного тока. Причины непостоянства. Основные хаpaктеристики тока. Постоянная dc-тока. Изменяющаяся компонента. Различия в постоянном и переменном токе....
04 08 2026 13:43:37
Томас Эдисон - историческая справка, биография, научные работы великого американского ученого. Изобретения Томаса Эдисона. Тату-машинка изобретенная Томасом Эдисоном. Лампочка-Светлана: изобретение века....
03 08 2026 6:22:44
Что такое ампер: определение и физическое значение. Амперы - как одна из основных единиц измерения при изучении физики электрических явлений. Сила тока - что это? Что измеряют в амперах....
02 08 2026 22:54:53
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....
01 08 2026 20:12:37
Гирлянда бахрома: использование на улице и внутри помещений. Преимущества и недостатки новогодней уличной светодиодной гирлянды бахрома со светомузыкой. Способы уличного монтажа для гирлянды бахрома....
31 07 2026 15:43:29
Выбор выключателей по токовым показателям и по сечению кабеля. Соответствие с ПУЭ и ГОСТ Р 50345–99. Временные хаpaктеристики автоматического выключателя. Типовой расчет автоматических выключателей....
30 07 2026 9:10:31
В какой день празднуют профессиональный праздник электроэнергетики России? Кого поздравляют с праздником энергетика. История дня электрика и традиции празднования. Когда впервые отметили день электроэнергетика в России?...
29 07 2026 9:15:33
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
