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
Основные определения и правила прокладки электропроводки. Прокладка проводов выполняется после составления исполнительной схемы, учитывая некоторые нюансы....
08 10 2026 13:12:50
Особенности и виды и типы маркировок конденсаторов. Различия в маркировке конденсаторов по типу: из бумаги или металлобумаги, электролитических, полимерных, пленочных и керамических....
07 10 2026 8:51:30
Инфpaкрасные лампы и светильники воспринимается в виде тепла, света и лечебного воздействия, что позволило применять такие изделия для различных целей....
06 10 2026 20:12:33
Пошаговая инструкция по штробированию стен своими руками. Подготовка план-эскиза и разметка стен. Выбор нужных инструментов для выполнения данных работ....
05 10 2026 7:39:19
Определение емкости конденсатора по структурным размерам. Формулы для расчета емкостей конденсаторов. Конденсаторы с переменной емкостью и их хаpaктеристики. Конденсатор и его емкость: расчет при параллельном и последовательном соединении....
04 10 2026 13:18:17
Виды преобразовательных агрегатов (инверторов напряжения, преобразователей тока и т.п.) Особенности тиристорного управления. Схемные решения преобразователей на основе тиристоров. Последовательные и параллельные инверторы тока....
03 10 2026 22:23:38
Как сделать самодельный генератор переменного тока из асинхронного двигателя. Выбор конструкции. Порядок доработки обмоток. Организация приводной части. Изготовление генератора на постоянных магнитах....
02 10 2026 6:15:40
Принцип работы стабилизатора напряжения на транзисторах. Расчет хаpaктеристик стабилитронов. Компенсационные и импульсные стабилизаторы и алгоритм их работы. Схема стабилизаторов напряжения на транзисторе....
01 10 2026 4:19:12
Что такое плоский конденсатор: рассчитываем напряжение по формуле. От чего зависит электроемкость плоского конденсатора. Заряд и разряд, расчет электроемкости плоских конденсаторов. Как проверить емкость плоского конденсатора....
30 09 2026 20:57:25
Что такое SPLAN: назначение программы. Платные и бесплатные версии Сплана. Splan библиотеки: как пользоваться. Функции настройки библиотек в программе СПЛАН. Создание новой библиотеки....
29 09 2026 17:11:23
Какое оборудование подразумевается под электроустановкой. Как делятся электроустановки по условиям электробезопасности. Общие правила по электрической безопасности при работе на электроустановках....
28 09 2026 3:41:33
Устройство и принцип работы д-триггера. Таблица истинности D триггера. Элементы с управлением по фронту. Схема реализации d-триггера. Использование триггеров регистрах сдвига и хранения. Реализация д триггера на ТТЛ элементах....
27 09 2026 5:35:18
Зачем проверять АКБ. Что проверить перед оценкой состояния аккумулятора. Что такое нагрузочная вилка: особенности применения. Порядок проверки аккумулятора с помощью нагрузочной вилки. Параметры (таблица) для оценки годности батареи....
26 09 2026 4:45:20
Вольтметр - назначение и устройство прибора. Принцип действия вольтметра. Классификация и видовое разнообразие вольтметров по внешним признакам. Диапазон измерения вольтметрами. Стрелочные и электронные приборы. Правила пользования, снятие показаний....
25 09 2026 13:30:28
Кому присваивается 2 группа по электробезопасности и требования предъявляемые к аттестующимся. Должности со второй группой допуска по электробезопасности: порядок присвоения допуска....
24 09 2026 23:11:31
Подразделения конденсаторов по возможности изменения емкости. Основные параметры и сокращенные обозначения. Конденсатор: принципы подбора и определение мощности гасящего или балластного конденсатора. Можно ли поставить конденсатор большей емкости....
23 09 2026 17:51:57
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?...
22 09 2026 9:25:19
Грамотное освещение гардеробной делают ее многофункциональной, способствует правильному хранению вещей в определенном порядке и быстрому их отысканию....
21 09 2026 5:22:43
Гипсокартон не совсем удобный материал для установки розетки, но общий порядок работ не сильно отличается от установки в другие типы стен....
20 09 2026 12:46:19
Виды выключателей: наружные и встроенные - преимущества и недостатки. Диммеры, датчики движения, кнопочные и сенсорные выключатели света. Как поменять выключатель своими руками. Необходимые инструменты и расходные материалы....
19 09 2026 23:36:46
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля АВВГ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. АВВГ-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок....
18 09 2026 18:22:22
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
17 09 2026 22:48:21
Что собой представляет щиток для электросчетчика и автоматов. В каком месте устанавливается электрощитки. Особенности выбора щитка для электросчетчиков. Минусы уличного размещения электрического щита. Как установить счетчик в щиток....
16 09 2026 10:37:44
Ка называется профессия специалиста по электрике? Инженер-электрик. Где обучают: в колледже или техникуме? Как получить образование по специальности электрика. Высшее образование....
15 09 2026 16:34:15
Сейчас существует множество видов розеток, но для разных потребностей существуют различные методы их защиты. Мы расскажем как в них ориентироваться....
14 09 2026 23:25:39
Группы допуска по электробезопасности. Требования к специалисту с 4 группой по электробезопасности. Минимальный стаж работы в 3 группе допуска, который должен иметь аттестующийся для получения данной категории....
13 09 2026 16:23:11
Разновидности токоизмерительных клещей, выбор инструмента, измерение в цепях постоянного тока. Как пользоваться токоизмерительными клещами. Токоизмерительные клещи с мультиметром....
12 09 2026 8:16:40
Изготовление самодельного металлоискателя с функцией дискриминации металлов в домашних условиях. Компоновка прибора по классической схеме. Самостоятельная сборка, намотка катушки, программирование....
11 09 2026 22:54:37
В цехах и на территориях промышленных предприятиях, где возможно образование взрывоопасных веществ устанавливают взрывозащищенное электрооборудование....
10 09 2026 5:49:27
Выбирая светильники для кухни при декорировании, руководствуются правилами дизайна и принципами деления помещения на функциональные зоны....
09 09 2026 18:31:40
С помощью светильников настенного типа создается основное и локальное освещение. Они имеют современный дизайн, легко монтируются и долго служат....
08 09 2026 0:49:15
Определение, назначение и конструкция заземляющего контура. Заземление электроустановок. Факторы сопротивления заземления. О расчете заземления: программы расчета защитного контура, допустимого сопротивления....
07 09 2026 21:48:55
Возможные неисправности счетчика электроэнергии. Кто должен менять электросчетчик и заниматься обслуживанием узла. Сломался счетчик электроэнергии: что делать. Сколько стоит проведение диагностики электрического счетчика в управляющей компании....
06 09 2026 2:33:14
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....
05 09 2026 16:38:51
Возникновение и опасность статического электричества: как возникают статические заряды. Статическое электричество и защита от него на производстве и в быту. Комплекс мер и мероприятий, помогающих предотвратить образование электростатических разрядов....
04 09 2026 10:32:55
Формулирование закона электромагнитной индукции (закон Фарадея). Опыты с электромагнитыми катушками. ЭДС индукции в проводнике: расчет индуктивного напряжения. Законы электролиза. Электромагнитная индукция: история и современное применение....
03 09 2026 5:53:10
Включение постоянных конденсаторов в цепи синусоидальной ЭДС. Простейший тип включения. Емкостное сопротивление конденсатора. График ёмкостного сопротивления. Работа в ёмкостной нагрузке....
02 09 2026 14:49:57
Что такое источник тока с точки зрения теоретической и пpaктической электротехники. Химические (гальванические элементы и аккумуляторы) и физические (преобразующие тепловую, солнечную и пр. энергии) источники токов....
01 09 2026 22:44:41
Рассмотрев все плюсы и минусы скрытой электропроводки можно приступать к монтажу, но стоит помнить несколько правил! Поиск скрытой электропроводки....
31 08 2026 6:19:30
Когда нужна установка нового прибора. Общий порядок и требования к замене электросчетчика в квартире. Разграничение зон ответственности. В каких случаях можно заменить электросчетчик в квартирах бесплатно....
30 08 2026 1:40:19
Для чего нужен ограничивающий резистор. Расчёт сопротивления резистора и его мощности. Шунтирование светодиодов резистором....
29 08 2026 23:40:29
Принцип работы синхронного генератора. Подробное описание устройства ротора. Реакция якоря и режимы работы СГ. Синхронные генераторы: хаpaктерные черты и принцип работы....
28 08 2026 4:22:47
Взрывозащищенные светильники используются во многих отраслях промышленности, обеспечивая безопасное нахождение человека на объектах с взрывоопасной средой....
27 08 2026 14:47:27
Назначение и виды паяльных жиров. Состав, свойства активного и нейтрального жирового флюса. Способы изготовления флюсов в домашних условиях. Способы пайки. Как правильно пользоваться паяльным жиром....
26 08 2026 5:58:33
Что такое дюбель-хомут: применение, разновидности и особенности монтажа электропроводки. Как крепить кабеля без сверления: классификация крепежа. Способы крепления кабеля к стене или потолку с помощью металлического хомута....
25 08 2026 19:22:18
Что такое молниезащита зданий и сооружений. Принципы действия и устройство молниеотводов. Классификация объектов, подлежащих защите. Категории молниезащиты: устройство заземления по СНИП, требования ПУЭ и ГОСТ...
24 08 2026 21:42:13
Система дистанционного управления для потолочных светильников. Принцип дистанционного управления: радиус действия, защита от помех и посторонних сигналов. Места установки контроллеров ДУ....
23 08 2026 12:17:53
Существующие разновидности резисторов и формулы расчета их мощности и сопротивления. Параметры резисторного элемента. Как подобрать резистор. Величина напряжения обеспеченная резисторным элементом....
22 08 2026 1:45:55
Технические и эксплуатационные хаpaктеристики гибкого силового кабеля из меди и бронированных проводов из алюминия. Монтаж бронированного алюминиевого провода под землей. Способы применения гибких силовых кабелей....
21 08 2026 2:12:52
Установка, выбор автоматического выключателя, его подсоединение к сети. Подключение светильника к выключателю....
20 08 2026 18:57:28
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
