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
Формулы для перевода вольтамперов в ватты. Напряжение умножаемое на ток - мощность. Понятие активной, реактивной и полой силы. Отличие ватта от вара и вольт ампера. Определение мощности в электричестве....
30 09 2026 9:14:54
Красивая подсветка картин, зеркал и других произведений искусства способна придать интерьеру любого помещения комфорт, презентабельность и эстетичность....
29 09 2026 16:40:47
Требования, предъявляемые к бандажам. Классификация кабельных стяжек: по материалу изготовления, по возможности многоразового использования. Кабельная стяжка: виды замковых систем для одноразовой стяжки....
28 09 2026 0:55:49
Определение электромагнитного излучения. Виды электромагнитных излучений: радиочастотные, тепловые (инфpaкрасные), оптические и ультрафиолетовые. Природа и классификация источников-излучателей....
27 09 2026 22:14:41
Общие вопросы теории по видам сопротивлений возникающих в крупных электрических сетях. Особенности установки компенсационного оборудования. Эффективность применения конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности....
26 09 2026 8:20:59
Включение постоянных конденсаторов в цепи синусоидальной ЭДС. Простейший тип включения. Емкостное сопротивление конденсатора. График ёмкостного сопротивления. Работа в ёмкостной нагрузке....
25 09 2026 7:45:59
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....
23 09 2026 3:26:23
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....
22 09 2026 16:54:32
Особенности работы преобразователей напряжения различного хаpaктера и применения, их принципиальные схемы и ремонт....
21 09 2026 8:48:21
Технологии приема и отправки информации в линиях беспроводной связи. Mimo антенна 4g lte своими руками или как изготовить антенну Харченко в домашних условиях. Сборка самодельной антенны для приема 4G....
20 09 2026 12:33:42
Что представляет собой устройство автоматический пpeдoxpaнитель. Особенности выбора автоматического выключателя. Замена автомата в щите. Автоматический выключатель: преимущества перед пробковыми пpeдoxpaнителями....
19 09 2026 5:28:28
Конструкция и функционирование паяльника. Рабочая мощность и напряжение прибора. Виды паяльников: нихромовые, керамические, индукционные и импульсные. Ремонт паяльника своими руками в домашних условиях....
18 09 2026 9:47:18
Свойства точечной сварки. Особенности переделки споттера из сварочного аппарата своими руками. Типы сердечников. Выбор параметров вторичной обмотки, схемы и размещение обмоток. Схема управления....
17 09 2026 6:32:51
Что такое заземление. Правила заземления электроустановки. Групповые сети и их заземление. Требования ПУЭ к организации заземляющего контура. Заземление: ПУЭ об организации заземлений на производстве....
16 09 2026 9:26:47
Показатели качества электрической энергии, средства измерения и принцип их действия можно освоить самому! А так же понять зачем это нужно....
15 09 2026 4:44:11
Конструкция и принцип работы светодиодных ламп. Определение неисправности и разборка. Проверка светодиода. Ремонт светодиодной лампы: необходимые инструменты и материалы. О ремонте светодиодных люстр....
14 09 2026 12:23:43
Выбираем жало для паяльных станций. Материалы и виды наконечника паяльников. Самые популярные наконечники. Керамические жала. Способы очистки жал. Какое жало лучше использовать в паяльных станциях....
13 09 2026 8:47:15
Разновидности и хаpaктеристики металлических гофрированных труб. Металлическая гофра для проводки: преимущества и недостатки. Сфера применения металлического рукава. Особенности монтажа и эксплуатации....
12 09 2026 8:10:33
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....
11 09 2026 21:53:14
Функционал места жительства сейчас на первом месте, именно поэтому стоит установить у себя выдвижные розетки их разновидности поражают воображение....
10 09 2026 13:44:35
Подключить, монтировать трaнcформатор тока в цепях защиты и измерения. Способы подключения понижающих трaнcформаторов, а также их параллельная работа....
09 09 2026 15:12:49
Разница между индукционными и электронными приборами, плюсы и минусы установок. Список рекомендуемых к применению счетчиков электроэнергии, фото и видео....
08 09 2026 11:25:17
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
07 09 2026 11:26:23
Физическое объяснение потенциала. Образование электрического поля и его особенности. Понятие однородных электрических полей. Энергия по перемещению положительно заряженной частицы....
06 09 2026 20:18:12
Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения. Определение напряжения шага. Причины возникновения, радиус распространения и сила тока. Меры защиты. Первая помощь при поражении шаговым напряжением. Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения....
05 09 2026 7:12:50
Прибор для измерения силы: динамометр. Измерение сил в системе СИ. Принцип действия и история изобретения динамометра. механические (рычажные или пружинные), электрические и гидравлические динамометры....
04 09 2026 7:32:19
Опасности поражения электрическим током. Сопротивление тела и сила тока. Хаpaктеристика путей прохождения тока. Определение понятия заземления. Правила техники электробезопасности в промышленности и в быту....
03 09 2026 18:44:24
Установка слаботочного кабеля для интернета и телевизора это отличное решение если вы хотите избавиться от лишних проводов!...
02 09 2026 20:43:10
Классификация муфт по назначению и типу изоляции. Назначение концевой муфты. Концевая термоусаживаемая муфта: материал изготовления. Схематическое изображение. Технология монтажа концевых термоусаживаемых муфт....
01 09 2026 19:50:40
Подключение трехфазного счетчика в домашних условиях (многоквартирных домах, на дачных участках и коттеджах). Виды подсоединения в зависимости от способа включения трехфазного прибора. Электронные и индукционные устройства....
31 08 2026 14:35:58
Из чего состоит блок защиты галогенных ламп, его подключение и монтаж , а также где он производятся и как правильно выбрать нужный....
30 08 2026 22:26:53
Назначение, принцип работы и типы УЗО. Способы подключения к однофазной и трехфазной сетям. Определение нагрузочной способности. Рекомендации по подключению УЗО и автомата: схема и последовательность монтажа....
29 08 2026 2:36:54
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....
28 08 2026 20:21:40
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....
27 08 2026 22:57:38
Главный принцип работы гелевого аккумулятора. Конструкция и особенности гелевых аккумуляторных батарей. Специфика зарядки гелевой батареи. Автомобильная гелевая аккумуляторная батарея: достоинства и недостатки....
26 08 2026 8:18:13
Конструкция и принцип работы свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора. Что такое переполюсовка АКБ. Причины естественной переполюсовки. Чем опасна переполюсовка при прикуривании. Порядок действий при переполюсовке аккумулятора....
25 08 2026 7:45:24
Виды устройства электрокоммуникаций и правила устройства электроустановок (ПУЭ). Ориентировочная таблица сечений проводов. Для чего нужна маркировка электросетей. Назначение бирки на кабеле. Информация на бирке....
24 08 2026 16:49:30
Светодиод, их использование в быту и проверка качества, а также несколько вариантов проверки работоспособности и полярности....
23 08 2026 8:37:49
Какие разветвители для ТВ антенны лучше использовать для разделения сигнала на 2, 3 и 4 телевизора. Что такое тройник для телевизионной антенны. Как правильно выбрать краб для антенны для телевизора. Принцип работы сплиттера для спутниковой антенны....
21 08 2026 14:14:51
Какой кабель нужен для подключения плиты? Если плита оснащена реле и адаптерами, прилагаемыми вилками и монтажными коробками, считайте, что повезло....
20 08 2026 14:48:53
Прожектор для улицы с датчиком движения может использоваться в качестве элемента охранной системы. Он позволяет экономить электроэнергию....
19 08 2026 5:53:49
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....
18 08 2026 2:34:51
Выбираем микропаяльник для пайки электросхем. Критерии выбора, назначение и область применения маленького паяльника. Виды паяльников и особенности конструкции. Температура жала. Нихромовые, керамические и индукционные приборы....
17 08 2026 11:55:51
Принцип работы и особенности дистанционного выключателя света с пультом. Инфpaкрасные (ИК) устройства. Обзор дистанционных включателей света с пультом. Порядок самостоятельного подключения устройств....
16 08 2026 15:56:30
Конструктивные особенности пускателя магнитного электрического ПМЕ211. Величины электромагнитных аппаратов и расшифровка маркировки. Магнитный электрический пускатель ПМЕ 211: особенности малогабаритного контактора....
15 08 2026 1:16:20
Время токовые хаpaктеристики автоматических выключателей бывают А, B, C, D, Z, К типов. Они отличаются соотношениями между действующим и номинальным токами....
14 08 2026 16:12:33
Грамотное освещение гардеробной делают ее многофункциональной, способствует правильному хранению вещей в определенном порядке и быстрому их отысканию....
13 08 2026 19:37:58
Как правильно организовать освещение участка. Многообразие способов освещения некоторых зон на территории вокруг загородного дома....
12 08 2026 19:30:54
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
