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
Аккумуляторы и их виды: классификация аккумуляторных батареек в зависимости от размера, мощности и конструкции. АКБ: принцип работы и применение. Зарядные устройства для аккумуляторных батарей в зависимости от типа аккумуляторов....
05 10 2026 1:36:21
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....
04 10 2026 14:39:35
Светодиоды для аквариума - важная составляющая системы жизнеобеспечения и комфортные условия существования организмов-гидробионтов....
03 10 2026 9:52:11
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
02 10 2026 1:25:33
Особенность стабилизатора на транзисторах. Стабилизатор тока на одном транзисторе: схема. Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов. Как сделать светодиодный стабилизатор-LM317....
01 10 2026 15:18:15
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля КГ. Размерные и температурные показатели провода КГ. Область применения и способы прокладки кабелей КГ. Описание электрических параметров проводов КГ....
30 09 2026 23:18:43
С помощью светильников настенного типа создается основное и локальное освещение. Они имеют современный дизайн, легко монтируются и долго служат....
28 09 2026 17:47:26
Разновидности изолент: лента изоляционная ХБ или тряпочная, ПВХ рулонная изолента. Из чего изготавливают изоляционную ленту. Сферы применения изоленты. Термоусадочная лента. Варианты клеевых покрытий. Преимущества изолент....
27 09 2026 10:28:22
Обоснование явления электромагнитной индукции Фарадеем. Направление действия магнитного поля и применение правила буравчика. Явление самоиндукции. Основные величины и наименования измеряемых единиц. Общая теория электромагнитных полей....
26 09 2026 2:52:12
Выбор ламп для теплиц имеет свои преимущества и недостатки. Правильно подобрать вид и рассчитать количество - залог получения урожая....
25 09 2026 10:56:44
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....
24 09 2026 2:51:43
Филаментные лампы, изготовленные по уникальной технологии в корпусе с различным дизайном, достойно заняли нишу экономичных светодиодных ламп....
23 09 2026 3:25:21
Технология поверхностного монтажа (SMD-технология). Преимущества использования smd деталей. СМД-маркировка электрических элементов следующих групп: двух, трех и более контактных деталей. Маркировки резисторов....
22 09 2026 7:59:11
Определение и взаимосвязь частоты и периодов тока. Взаимосвязь частотности и работы электрооборудования. Частотомер: назначение прибора. Высокая частота токов и ее применение в промышленности и медицинской технике....
21 09 2026 5:24:41
Установка, выбор автоматического выключателя, его подсоединение к сети. Подключение светильника к выключателю....
20 09 2026 12:55:27
Способы подключения ламп через один, два выключателя, датчик движения или проходные выключатели, а также параллельное и последовательное подключение....
19 09 2026 12:36:26
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....
18 09 2026 5:46:17
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)....
17 09 2026 18:28:30
Обустройство параллельного включения. Последовательное и смешанное подключение. Соединение проводников. О параллельном подключении лампочек: схема подключения, обозначения на схеме....
16 09 2026 21:48:52
Принцип действия вакуумного выключателя, его конструктивные особенности, преимущества и недостатки, а также критерии правильного выбора....
15 09 2026 19:37:16
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....
14 09 2026 6:10:34
Ручной и станочный электроинструмент. Особенности эксплуатации ручного электроинструмента. Факторы опасности при использовании ручных ЭИ. Техника безопасности при пользовании ручными электроинструментами. Требования безопасности при работе с электроинструментом....
13 09 2026 22:28:49
Происхождение эффекта Холла, виды его проявления. Направление Лоренцовой силы. Определение напряжения Холла. Как можно использовать эффект Холла. Эдвин Герберт Холл: небольшая историческая справка....
12 09 2026 11:58:49
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....
11 09 2026 1:53:57
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)....
10 09 2026 7:19:26
Изготовление лабораторного блока питания своими руками. Простое устройство и регулируемые БП. Схема двухполярного блока. Советы по оформлению корпуса блоков питания....
09 09 2026 0:43:19
Преимущества кабеля из сшитого полиэтилена. Особенности конструкции и варианты исполнения СПЭ кабелей. Кабель из сшитых полиэтиленов: устройство и обязательные элементы. Специфика применения и классы продукции....
08 09 2026 6:23:48
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....
07 09 2026 15:47:11
В цехах и на территориях промышленных предприятиях, где возможно образование взрывоопасных веществ устанавливают взрывозащищенное электрооборудование....
06 09 2026 10:37:59
Определение и физическое объяснение эффекта Пельтье. Особенности функционирования, принцип действия и конструкция термоэлектрического генератора. Достоинства и недостатки ТЭМ. Самостоятельное изготовление термоэлектрогенератора своими руками....
05 09 2026 14:55:18
Стабилизатор бытовой: классификация. Электронные или цифровые устройства релейного типа. Маркировка стабилизаторов напряжения Ресанта. Технические хаpaктеристики моделей. Советы при выборе автоматического стабилизатора для дома....
04 09 2026 19:21:49
Где применяются правила ТБ. Требования электробезопасности при обслуживании установки. Техника безопасности при работах на действующих электроагрегатах. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок....
03 09 2026 8:49:14
Что такое ОДН по электроэнергии? Нормативы на ОДН по электроэнергии в многоквартирных домах в разных регионах. Порядок расчета ОДН по общедомовому счетчику. Сверхнормативное потрeбление электроэнергии на общедомовые нужды....
02 09 2026 15:50:41
Технические хаpaктеристики кабельной продукции. Кабели ПУГНП: назначение кабеля, сфера применения, отличия кабелей серии ПУГНП от прочих проводов. Материал изготовления ПУГНП-кабеля....
01 09 2026 17:27:55
Виды стабилизаторов по классам. Выбор типа защитного устройства. Подготовка места для монтажа стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжений: типовая схема подключения. Порядок проведения работ. Стабилизация трёхфазного питающего напряжения....
31 08 2026 15:31:33
Как правильно крепить люстру к натяжному потоку своими руками. Установка светильников на натяжной потолок: необходимый инструмент и крепежный материал. Схема размещения проводки....
30 08 2026 19:16:46
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....
29 08 2026 14:35:20
Томас Эдисон - историческая справка, биография, научные работы великого американского ученого. Изобретения Томаса Эдисона. Тату-машинка изобретенная Томасом Эдисоном. Лампочка-Светлана: изобретение века....
28 08 2026 6:49:54
Виды и классификация автоматических выключателей. Приборы для работы со сверхвысокой нагрузкой. Назначение автоматического выключателя. Процесс монтажа автомата для постоянного и переменного тока....
27 08 2026 16:47:40
Распиновка наушников (проводов и разъемов): необходимый инструмент и расходные материалы. Поиск неисправностей и прозвонка проводов. Ремонт динамика наушников....
26 08 2026 19:32:18
Принцип работы электрического конвектора. Электрический конвектор: устройство и детали конструкции. Нагреватели игольчатые и трубчатого и монолитного типа: преимущества и недостатки. Выбор типа нагревателя (электроконвектора) и места для установки....
25 08 2026 14:51:38
Особенности конструкции энергосберегающих ламп. Достоинства и недостатки энергосберегающей лампы. Таблица мощности и классификация энергосберегающих источников освещения. Как выбрать устройство для освещения....
24 08 2026 13:59:17
Освещение прихожих и коридоров нужно делать с учетом особенностей их размеров, а также установленной мебели и аксессуаров....
23 08 2026 18:52:57
Материал для изготовления гофротруб. Классификация и размеры гофрированных труб пля прокладки кабелей. Преимущества и недостатки гофротрубы. Правила и порядок монтажа гофрированной трубы для проводки....
22 08 2026 23:21:59
Виды существующих зон их время, в суточном понимании. Выбор многотарифных счётчиков для их учёта и экономическая выгодность....
21 08 2026 7:40:37
Конструкция светодиодной ленты. Основные параметры LED-лент 220в. О светодиодных лентах 220в: схема сборки ленты, выбор драйвера и блока питания. Способы подключить светодиодную ленту 12в к сети 220в....
19 08 2026 11:53:59
Что нужно для переделки инвертора. Устройство агрегата: узел подачи расходного материала и горелка. Электронный управляющий модуль. Изготовление полуавтомата из инвертора своими руками. Опробование полуавтомата в работе....
18 08 2026 10:35:50
Особенности применения цифрового аппарата осциллографа и общие принципы функционирования. Расшифровка осциллограммы. Порядок подключения осциллографов. Возможности двухкaнaльного прибора. Определение угла сдвига фаз на осциллограмме....
17 08 2026 10:15:41
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
