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
Как сделать самодельный генератор переменного тока из асинхронного двигателя. Выбор конструкции. Порядок доработки обмоток. Организация приводной части. Изготовление генератора на постоянных магнитах....
27 11 2025 23:57:35
Лампы накаливания широко используемые в быту и промышленности. Они различаются по конструкции, мощности, световой отдаче и дизайну....
26 11 2025 5:26:19
Общие сведения и маркировки степеней (классов) IP. Расшифровка маркировок степени защит. Особенности расшифровки. Буквенные дополнения к цифровым индексам. Классы защиты для электрических светильников....
25 11 2025 14:22:47
Правила установки устройства защиты. Подключение УЗО, подключение УЗО с заземлением. Как установить УЗО без ошибок....
24 11 2025 8:11:24
Устройство контура заземления, необходимая аппаратура, полезные рекомендации и монтаж заземления от эксперта....
23 11 2025 13:13:13
Бетонные стены идеальное место для установки розеток, если у вас есть специальное оборудование и план действий по монтажу. Мы покажем как легко это сделать!...
22 11 2025 2:24:18
Диагностика повреждений и методика проверки стабилизатора. Ремонт электромеханических и релейных стабилизаторов напряжения. Ремонт платы управления стабилизатора своими руками. Степень сложности ремонта различных видов стабилизаторов....
21 11 2025 14:16:49
Как подключать светодиоды от 12 В и 220 В. Основные схемы подключения и расчёт резистора, полная инструкция от профессионала....
20 11 2025 14:31:22
Физические термины и терминология. Работа сил, приложенных к системе материальных точек. Работа силы - измерение в физике. Влияние на силу электрического тока физических величин: напряжений и сопротивлений....
19 11 2025 14:16:50
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....
18 11 2025 21:32:46
Газонаполненные лампы и их особенности, классификация, недостатки и сфера применения. Чем они отличаются от ламп накаливания....
17 11 2025 11:19:51
Электрическая ёмкость - измерение в фарадах, пикофарадах, микрофарадах и нанофарадах. Один фарад - это сколько? Правила измерения электрических емкостей. Обозначение фарада. Важность величины фарад в электронике и электротехнике....
16 11 2025 19:16:56
Свойства точечной сварки. Особенности переделки споттера из сварочного аппарата своими руками. Типы сердечников. Выбор параметров вторичной обмотки, схемы и размещение обмоток. Схема управления....
15 11 2025 6:32:25
Определение и формулы для расчета удельных сопротивлений материалов. Проводимость и электросопротивление проводов. Выбор сечения кабеля: по допустимому нагреву, по допустимым потерям напряжения. Удельное сопротивление меди....
14 11 2025 22:57:54
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
13 11 2025 23:35:11
Выключатели ретро придают особый колорит и оригинальность в помещениях стилизованных под старину. Выпускаются для скрытой и открытой проводки....
12 11 2025 1:48:53
Что такое электрическое напряжение: формула для вычисления. Основные факторы, влияющие на норматив напряжения электрических токов. Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков....
11 11 2025 7:28:17
Виды концевых выключателей, их применение. Конструктивные особенности каждого из них с полным описанием нашего специалиста....
10 11 2025 14:39:39
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....
09 11 2025 21:10:27
Что такое заземление. Правила заземления электроустановки. Групповые сети и их заземление. Требования П У Э к организации заземляющего контура. Заземление: П У Э об организации заземлений на производстве....
08 11 2025 4:12:41
Понятие термостойкого кабеля. Виды термостойких кабелей. Классификация жаростойкого термопровода. Расшифровка обозначений термопроводов для саун и бань. Конструктивные особенности термостойкой изоляции для проводов....
07 11 2025 23:32:52
Определение мощности как основной хаpaктеристики электрооборудования. Мощность: определение с помощью закона Ома. Расчёт мощностей электрического тока в сетях переменного и постоянного напряжения. Однофазные нагрузки....
06 11 2025 4:22:47
Какое оборудование подразумевается под электроустановкой. Как делятся электроустановки по условиям электробезопасности. Общие правила по электрической безопасности при работе на электроустановках....
05 11 2025 5:19:58
Типы сигналов от телeбашни. Способы приема цифрового ТВ. Как настроить цифровое телевидение. Перечень доступных каналов для приема на обычную антенну. Пакеты вещания: какой выбрать....
04 11 2025 1:45:48
Маркировка проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция КВВГ: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики КВВГ-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов КВВГ (таблица)....
03 11 2025 6:36:11
Требования, предъявляемые к бандажам. Классификация кабельных стяжек: по материалу изготовления, по возможности многоразового использования. Кабельная стяжка: виды замковых систем для одноразовой стяжки....
02 11 2025 2:58:37
Типы кримперов: разновидностей клемм, которые определяют тип используемого кримпера (трубчатый и разрезной хвостовик, сетевые и телефонные разъемы). Кримпер для обжима наконечников RJ. Как правильно работать с инструментом....
01 11 2025 1:15:19
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....
31 10 2025 4:24:16
Что такое фаза в электрических сетях. Структура электросети, основные элементы. Определение фазы в электросетях. Маркировки фаз. Схемы подключения к трехфазной цепи. Ищем фазу: инструменты для определения....
30 10 2025 18:10:49
Ртутные лампы не требуют грамотного подхода к их использованию и применяются в различных отраслях сельского и промышленного хозяйства, а также в быту....
29 10 2025 8:35:36
Виды и параметры аккумуляторных батарей: емкость, выходное напряжение, внутреннее сопротивление. Что такое саморазряд аккумуляторной батареи. Измерение ёмкости АКБ мультиметром. Проверка аккумулятора 18650. В чем измеряется емкость аккумулятора телефона....
28 10 2025 22:31:23
Законы Фарадея и Ленца. Определение формулы ЭДС. Движение провода в магнитном поле. Что такое вращающаяся катушка. Понятие взаимоиндукци. Электромагнитная индукция: расчет электродвижущей силы по формуле....
27 10 2025 22:32:26
Виды и особенности литий ионных аккумуляторов. Принцип работы и конструкция литий-ионных аккумуляторных батарей. Проверка литиевой АКБ. Области применения литиевого аккумулятора. Обслуживание и ремонт....
26 10 2025 9:35:10
Принцип буравчика (правило правого винта) с точки зрения физики. Формулировка закона правой руки для соленоида с током. Закон левой руки как основа законов Ампера. Расчет индуктивности катушек и формирование противотоков....
25 10 2025 8:43:56
Польза и вред резонансов. Резонанс в электрических цепях как явление. Добротность колебательной системы. Положительные и отрицательные стороны резонанса. Частота резонанса....
24 10 2025 16:25:49
Установка розеток с заземлением это легко, но нужно знать основные принципы и особенности таких розеток, все это вы найдете...
23 10 2025 19:21:22
ПроцеДypa присвоения группы по электробезопасности. Уровни допуска персонала к электроустановкам на предприятиях. Нюансы и ограничения групп по электробезопасности....
22 10 2025 3:10:38
Преимущества кабеля из сшитого полиэтилена. Особенности конструкции и варианты исполнения С П Э кабелей. Кабель из сшитых полиэтиленов: устройство и обязательные элементы. Специфика применения и классы продукции....
21 10 2025 18:44:49
Монтаж источников света может выполняться квалифицированным электриком, а может и без него, главное знать основные нюансы подключения светильников....
20 10 2025 11:33:48
Тематическая подборка для инструктажей на 1 группу ЭБ. Комплекс мер и действий технического и организационного хаpaктера (таблица). Последствия поражения электричеством и другие темы программы проведения инструктажа на 1 группу по электробезопасности....
19 10 2025 2:18:15
Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....
18 10 2025 22:37:10
Tрaнcформаторы для галогенных ламп, их виды и питание, а также способы и схемы их подключения и использование в различных сферах....
17 10 2025 4:17:24
Как работает электромагнит? Изготовление электромагнита 12в. в домашних условиях. Преимущества использования электромагнитов переменного тока. Расчеты изготовления магнитов для переменного и постоянного токов. Находим применения электромагниту в телевизорах, трaнcформаторах и пусковых устройствах автомобиля....
16 10 2025 18:44:55
Антенны для автомагнитолы: особенности работы и преимущества самодельного устройства. Выбор антенны для автомагнитолы: активная или пассивная. Как сделать штекер для автоантенны. Самостоятельное подключение антенны в автомобиле....
15 10 2025 13:19:50
Возможные способы прокладки при замене проводки в панельном доме своими руками: от простейших вариантов, до прокладки кабель-каналов. Подготовительные работы. Штробление, изъятие и монтаж....
14 10 2025 17:44:40
Принцип их действия и отличие друг от друга. Высоковольтные выключатели их типы и критерии выбора, а также советы опытного эксперта....
13 10 2025 7:15:16
Функциональное использование магнитного пускателя ПМ-12. Хаpaктеристики и основные технические значения пускателей ПМ12. Принцип работы и комплектность. Монтаж и отличие от контакторов....
12 10 2025 9:46:35
Устройство механизма шуруповерта и принцип действия прибора. Конструкция аккумулятора и типы аккумуляторных батарей. Переделка шуруповерта на питание от сети 220В. Использование внешнего блока питания....
11 10 2025 3:39:32
Принцип работы и выбор измерительных трaнcформаторов применяемых для учёта электроэнергии. Самые распространённые схемы подключения....
10 10 2025 3:27:28
Особенности работы преобразователей напряжения различного хаpaктера и применения, их принципиальные схемы и ремонт....
09 10 2025 3:54:38
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
