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
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВБбШв: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ВБбШв-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВБб-Шв (таблица)....
29 05 2026 5:18:54
Маркировка и общая информация о паяльниках. Типы нагревателей электропаяльников ЭПСН: нихромовые и керамические. Предназначение и мощность. Паяльные жала. Что такое молотковый паяльник. Слабые стороны керамических нагревателей....
28 05 2026 10:31:46
Активная и реактивная энергия и нагрузка сети. По какой формуле осуществляется перевод кВа в кВт. Расшифровка обозначений. Ватты, вольты, амперы - разбираемся в различиях терминов....
27 05 2026 4:40:39
Основные функции щита электроэнергии это распределение электрической энергии, обеспечение электробезопасности и учет электроэнергии....
26 05 2026 11:51:53
Что нужно знать о радиотехнике и радиоэлектронике начинающему радиолюбителю. Какие нужны инструменты, материалы и измерительные приборы. Паяльник для начинающего радиолюбителя. Техника безопасности. Полезные советы....
25 05 2026 22:50:42
Определение охранной зоны ЛЭП: протяженность опасной территории. Особенности охранных зон линий электропередач. Охранная зона ЛЭП: длина и ширина согласно санитарным нормам. Чем опасно пребывание рядом с линией электропередачи. Нормативные документы....
24 05 2026 6:53:16
Классические способы генерации электроэнергии: зависимость от источника. Принцип действия генератора с самозапиткой. Обзор радиантных генераторов. Генератор с самозапиткой: собираем трaнcгенератор своими руками....
23 05 2026 16:36:13
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля ВББШВНГ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. ВББШВНГ-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Конструкция провода ВББШВНГ....
22 05 2026 0:21:13
Как правильно выбрать и смонтировать освещение в гараже, а также различные варианты его расположения. Безопасность при разводке освещения в гараже....
21 05 2026 18:44:46
Определение электромагнитного излучения. Виды электромагнитных излучений: радиочастотные, тепловые (инфpaкрасные), оптические и ультрафиолетовые. Природа и классификация источников-излучателей....
20 05 2026 0:53:42
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
19 05 2026 21:42:45
Опасность поражения электрическим током и основные причины электротравм на производстве. Основные правила техники безопасности при работе с электричеством в быту и в промышленном производстве....
18 05 2026 17:52:39
Эксплуатационные хаpaктеристики и преимущества TL431. Виды цоколевки микросхемы и особенности распиновки в зависимости от исполнения. Схема включения TL-431, формулы для расчетов. Применение TL 431 в виде стабилизатора тока....
17 05 2026 20:12:37
Виды знаков и плакатов по электробезопасности по ГОСТ. Запрещающие, предупреждающие и указательные плакаты. Классификация плакатов и знаков по электрической безопасности....
16 05 2026 14:22:26
Дифавтомат это электрозащитное устройство, которое защищает проводку, оборудование и человека от воздействия электричества при неполадках в эл.цепи....
15 05 2026 13:40:59
Сколько потрeбляет инфpaкрасный обогреватель? Усредненные расчеты - суточный расход устройства мощностью 1 кВт составляет 8 кВт, обогреет площадь в 16 м²....
14 05 2026 6:30:11
Подключение и установка наружной розетки дело важное, она должна соответствовать параметрам необходимым для безопасного использования....
13 05 2026 10:23:55
Как выбрать стартёр для запуска люминесцентных ламп и затем правильно его подключить, а также какие-могут возникнуть неисправности....
12 05 2026 6:42:40
Многотарифные электросчетчики это один из лучших помощников в экономии электрической энергии, а его особенности могут сильно повлиять на выбор счетчика....
11 05 2026 23:57:53
Изготовление токопроводящих клеев контактолов в домашних условиях. Состав вещества, доля серебра в контактоле. Серебро или графит. Определение токопроводности клея. Магазинный токопроводящий клей....
10 05 2026 5:21:27
Что такое контуры заземления. Какие для контуров заземления нормы ПУЭ. Конструкции контура заземления. Как правильно заземлить частный дом по нормативам. Влияние почвы на заземление....
09 05 2026 12:49:25
Все о счетчики электроэнергии Нева: предназначенные для установки в сетях переменного тока. Применение – энергетическое, промышленное и быт....
08 05 2026 5:55:31
Виды соединений проводов и жил кабеля: от обычной скрутки до соединительной муфты. Преимущества термоусаживаемых соединительных муфт. Муфта соединительная термоусаживаемая: особенности производства ТСКМ....
07 05 2026 3:32:39
Какой кабель нужен для подключения плиты? Если плита оснащена реле и адаптерами, прилагаемыми вилками и монтажными коробками, считайте, что повезло....
06 05 2026 14:54:10
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы ll по электробезопасности...
05 05 2026 15:39:11
Суть явления, определение резонанса в физике и виды резонансных явлений. Механический резонанс. Электрический колебательный контур и сложные колебательные структуры. Опасности и польза резонансов....
04 05 2026 22:18:30
Принцип действия сварочного трaнcформатора, его виды и методика расчёта. Улучшение и усовершенствование сварочных аппаратов....
03 05 2026 18:25:37
Как выглядит терморегулятор для инкубатора: общие сведения об устройстве. Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов своими руками. Принцип работы оборудования. Особенности сборки термостата....
02 05 2026 1:58:12
Параметры трaнcформаторов тока должны соответствовать правилам коммерческого учета, требованиям энергопоставляющей компании и нормативной документации....
01 05 2026 5:24:22
Функциональные группы в энергетике (таблица). Группы по электробезопасности, аттестационные права ЭБ (таблица). Таблица необходимого для последующей аттестации стажа в электрических установках. Аттестация по электробезопасности....
30 04 2026 18:32:21
Материал для изготовления гофротруб. Классификация и размеры гофрированных труб пля прокладки кабелей. Преимущества и недостатки гофротрубы. Правила и порядок монтажа гофрированной трубы для проводки....
29 04 2026 14:22:31
Кабель utp: основные хаpaктеристики и расшифровка аббревиатуры. Виды utp-кабелей. Отличие провода фтп от ютп. Правила монтажа utp-кабеля. Коннекторы для ютп проводов....
28 04 2026 17:32:54
Разновидности токоизмерительных клещей, выбор инструмента, измерение в цепях постоянного тока. Как пользоваться токоизмерительными клещами. Токоизмерительные клещи с мультиметром....
27 04 2026 18:42:57
Преимущества программирования различных схем электропроводки. Что может программа для проектирования электропроводки в доме: расчет схем электроснабжения, подсчет общих потерь напряжения, расчет объема кабельной продукции и другие полезные функции....
26 04 2026 15:56:28
Открытая электропроводка в кабель каналах хорошее решение для монтажа. Но стоит помнить о правилах прокладки кабеля в каналах, это залог успешной установки....
25 04 2026 15:21:53
Основы импульсного преобразования. Обязательные модулы, которые должен содержать в себе классический импульсный стабилизатор напряжения. Преимущества ОС-регулирования. Схемы управляющих устройств. Понижающие стабилизаторы....
24 04 2026 13:58:30
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)....
23 04 2026 12:10:23
Как правильно выбрать аккумуляторный шуруповерт. Виды акб шуруповертов: какой аккумулятор лучше. Основные технические хаpaктеристики шуруповерта: мощность, вид патрона, типы аккумуляторов, совместимость. Самый маленький профессиональный шуруповерт....
22 04 2026 17:10:49
Основные типоразмеры SMD - резисторов общего назначения. Подстроечные SMD-резисторы: система обозначений типоразмеров. Переменный SMD-резистор: открытое, закрытое и герметизированное исполнение....
21 04 2026 16:44:14
Опасности поражения электрическим током. Сопротивление тела и сила тока. Хаpaктеристика путей прохождения тока. Определение понятия заземления. Правила техники электробезопасности в промышленности и в быту....
20 04 2026 20:12:55
Определение ротора и статора. Виды электромеханических устройств: асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором. Типы роторов: фазный и короткозамкнутый ротор....
19 04 2026 5:29:33
Особенности организации правильного аквариумного освещения. Возможные типы ламп и их преимущества. Подводная подсветка. Расчет нужного освещения....
18 04 2026 15:32:41
Как поменять счетчик электроэнергии? В первую очередь вам нужно будет обратиться в местное отделение «Энергосбыта» и оформить заявку на замену счётчика....
17 04 2026 14:39:16
Определение эквивалентного сопротивления. Разница в методике определения эквивалентного сопротивления в цепях с последовательным и параллельным соединением элементов. Расчёт при смешанном соединении устройств. Физические формулы, примеры вычислений....
16 04 2026 23:48:48
Причины образования льда на крыше. Достоинства и недостатки кабеля греющего для кровли и водостоков. Что такое саморегулирующийся (резистивный) кабель. Виды греющих кабелей для кровель и водостока....
15 04 2026 5:10:43
Определение понятия энергии и напряженности электрического поля, формулы расчетов. Энергия конденсатора: основополагающие понятия емкости и напряжения. Как зарядить плоский конденсатор. Вычисление энергии заряженного конденсатора....
14 04 2026 20:32:43
Устройство коаксиального кабеля: назначение и параметры основных составляющих, марки и хаpaктеристики. Коэффициент экранирования телевизионных кабелей. Какой кабель лучше выбрать для спутникового ТВ....
13 04 2026 16:20:19
При обустройстве жилья это направление особенно популярно...
12 04 2026 9:46:40
Общая информация о последовательности импульса. Формулы расчета. Управление скважностью импульсов. Жестокие требования по стабильности параметров импульсных сигналов....
11 04 2026 13:12:42
Естественное освещение зданий дает возможность повысить комфорт в помещениях, а также экономить потрeбление электрической энергии....
10 04 2026 0:47:18
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
