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
Кому присваивают 2 группу по электробезопасности, какие документы на допуск выдаются аттестованным специалистам. Особенности удаленного обучения по 2 группе электробезопасности. Экзаменационный режим....
15 10 2026 7:27:16
Виды концевых выключателей, их применение. Конструктивные особенности каждого из них с полным описанием нашего специалиста....
14 10 2026 13:29:11
Типы сигналов от телeбашни. Способы приема цифрового ТВ. Как настроить цифровое телевидение. Перечень доступных каналов для приема на обычную антенну. Пакеты вещания: какой выбрать....
13 10 2026 21:23:36
Запас прочности кабеля определяется сопротивлением изоляции поэтому важно своевременно проводить проверку с помощью специальных средств....
12 10 2026 19:18:21
Конструкция и принцип работы светодиодных ламп. Определение неисправности и разборка. Проверка светодиода. Ремонт светодиодной лампы: необходимые инструменты и материалы. О ремонте светодиодных люстр....
11 10 2026 5:13:19
Виды существующих аккумуляторных батарей: от электрохимических до световых. Разновидности свинцово-кислотных батарей. Расшифровка аббревиатур и технические хаpaктеристики различных видов аккумуляторов....
10 10 2026 16:28:35
Назначение электроприбора ИС 10 для измерения сопротивления заземления. Отличительные особенности прибора ИС10. Основные хаpaктеристики: диапазоны измеряемых величин, погрешность измерения сопротивлений....
09 10 2026 4:46:34
Назначение и достоинства напольных кабельных каналов для размещения проводки. Виды кабель-каналов. Напольные ПВХ короба жесткого типа. Инструментарий, необходимый для прокладки кабель-канала. Виниловый кабель канал....
08 10 2026 7:58:16
Понятие трaнcформаторов тока: для чего нужны и из чего состоят. Схемы подключения измерительных трaнcформаторов тока. Чем трaнcформатор тока отличается от трaнcформатора напряжения. Классификация измерительных трaнcформаторов....
07 10 2026 1:15:50
Естественное освещение зданий дает возможность повысить комфорт в помещениях, а также экономить потрeбление электрической энергии....
06 10 2026 13:55:53
Что такое заземление. Правила заземления электроустановки. Групповые сети и их заземление. Требования ПУЭ к организации заземляющего контура. Заземление: ПУЭ об организации заземлений на производстве....
05 10 2026 5:43:51
Правила установки устройства защиты. Подключение УЗО, подключение УЗО с заземлением. Как установить УЗО без ошибок....
04 10 2026 0:35:40
Промышленные светильники индукционные, классификация, преимущества и недостатки . Основные части установки, рекомендации при выборе индукционной лампы....
03 10 2026 14:19:46
Почему в проводах и контактах происходит короткое замыкание. Что такое короткозамкнутый виток. Причины и устранение коротких замыканий в кабелях и соединениях. В каких случаях коротит скрытая проводка. Короткие замыкания: как найти и внешние признаки....
02 10 2026 7:33:49
Необходимые параметры для проверки АКБ мультиметром. Измерение напряжения и емкости аккумуляторной батареи. Последовательность действий для определения внутреннего сопротивления аккумулятора. Проверка тока утечки с помощью мультиметра....
01 10 2026 3:54:26
Сеть с глухозаземленной нейтралью: особенности конструктива. Меры предосторожности при работе в сетях с глухозаземленными нейтралями. Разновидности систем TN. Что такое зануление....
30 09 2026 20:57:50
Общая классификация и назначение кабелей типа "витая пара": экранированные и неэкранированные кабеля. Устройство витых пар и правила соединения с помощью коннекторов RJ45. Особенности маркировки, материал и сечение проводника....
29 09 2026 12:19:35
Напольные светильники создают необходимый уровень освещения в нужной зоне и придавать интерьеру помещения комфорт, теплоту и уют....
28 09 2026 6:16:42
Для чего LTE модему нужна внешняя антенна 4G. Технические хаpaктеристики самодельных 4G антенн для мобильных модемов. Как сделать выносную 4G своими руками: схема и инструменты....
27 09 2026 18:57:48
Кому присваивается 2 группа по электробезопасности и требования предъявляемые к аттестующимся. Должности со второй группой допуска по электробезопасности: порядок присвоения допуска....
26 09 2026 1:37:28
Понятие об установленной и расчетной мощности. Установленная мощность: электрические станции, жилые и общественные здания, промышленные объекты - разница в вычислениях. Формулы для расчета установленных суммарных мощностей....
25 09 2026 2:28:27
Определение магнитного поля. Наглядное отображение линий (векторов) магнитной индукции. Магнитная индукция: определение вектора (направления) и сил взаимодействия катушек с электротоком по формуле. Определение магнитных потоков....
24 09 2026 1:36:38
Выбирая светильники для кухни при декорировании, руководствуются правилами дизайна и принципами деления помещения на функциональные зоны....
23 09 2026 14:19:45
Цветовая температура светодиодных ламп: определения, условные обозначения, влияние на зрение человека. О цветовой температуре светодиодных ламп: таблица цветности, маркировки изделий. Что такое теплый и холодный свет....
22 09 2026 13:29:56
Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя. Соединение катушек при подключении трехфазных двигателей к сети 220В. Подключение фазосдвигающих конденсаторов. Как переделать схему вращения в реверсивную....
21 09 2026 7:18:56
Справка о реактивной мощности: в каких единицах измеряется. Реактивная нагрузка: емкостная и индуктивная. Что такое треугольник мощностей. Потери тока из-за действия реактивных мощностей. Коэффициент мощности. Формула полных мощностей....
20 09 2026 7:38:52
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....
19 09 2026 3:18:43
Важнейшей хаpaктеристикой сварочного инвертора является максимальный ток сваривания или мощность - это определяющая способность устройства...
18 09 2026 18:36:50
Подключение с использованием блока защиты. Как изготовить блок защиты самостоятельно: принцип работы устройства. Использование диммирования. Микросхемы для фазового регулирования....
17 09 2026 2:57:49
Взрывозащищенные светильники используются во многих отраслях промышленности, обеспечивая безопасное нахождение человека на объектах с взрывоопасной средой....
16 09 2026 5:30:46
Требования к светодиодным осветительным приборам для уличного освещения и их класификация. Принцип работы и конструкция светильников для магистралей и улиц....
15 09 2026 22:45:59
Принцип действия светодиодных ламп 220 в. Типы светодиодов использующихся в диодных лампах. Устройство LED-диодов: преимущества и недостатки. Драйвера и источники питания. Самостоятельный ремонт светодиодной лампы....
14 09 2026 11:26:45
Чтобы проверить счетчик нужно знать как часто это нужно делать и как правильно это делать, мы даем полный алгоритм действий для самостоятельной проверки!...
13 09 2026 19:42:50
Мы представляем вам схему проводки и расскажем как выбрать питающий кабель, и произвести монтаж электропроводки и аппаратов защиты в гараже....
12 09 2026 6:29:43
Почему выгодна разделка кабелей и проводов. Виды оборудования: от простых устройств к универсальным стpиппepам. Порядок изготовления самодельного стpиппepа. Чертежи станка для разделки кабеля своими руками....
11 09 2026 3:21:10
Принцип работы электрогенератора. Классификация генераторов: стационарные и мобильные устройства. Что такое генератор. Сфера применения устройств. Виды бытовых генераторов переменного тока: газовые, бензиновые и дизельные....
10 09 2026 18:19:49
Применение масляных выключателей, их основные типы. Принцип работы и устройство масляного выключателя в промышленной энергетике....
09 09 2026 21:15:30
Классификация клеммников, преимущества и недостатки устройств. Самозажимной пружинный клеммник - простота и надежность применения. Недостатки быстрозажимного клеммника. Как правильно выбрать клеммники....
08 09 2026 4:39:31
Виды сетевого кабеля: от витой пары до оптиволоконных кабелей. Коаксиальный кабель: области и история применения. Витая пара: категории и расшифровки обозначений (маркировок). Оптоволоконные сетевые провода....
07 09 2026 6:16:54
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....
06 09 2026 6:52:41
Самостоятельный монтаж электропроводки дело трудоемкое, но выполнимое! Главное знать несколько основных правил прокладки кабеля и установки аппаратуры....
05 09 2026 5:54:25
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....
04 09 2026 0:14:33
Особенности подготовки к аттестации. Примеры общих вопросов. Современные системы технического обучения. Комплект билетов с ответами по электробезопасности 3 группы....
03 09 2026 5:14:19
Общие вопросы теории по видам сопротивлений возникающих в крупных электрических сетях. Особенности установки компенсационного оборудования. Эффективность применения конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности....
01 09 2026 19:47:38
Кабеля и их классификация, различие кабельной продукции по материалу изготовления, параметрам экранирования и т.п. По каким признакам и свойствам классифицируются провода. Чем отличается кабель от провода....
31 08 2026 9:46:38
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
30 08 2026 16:46:45
Принцип работы синхронного генератора. Подробное описание устройства ротора. Реакция якоря и режимы работы СГ. Синхронные генераторы: хаpaктерные черты и принцип работы....
29 08 2026 20:34:51
Виды миллиамперметров и микроамперметров. Сравнительные хаpaктеристики приборов. Общая информация, сферы применения миллиамперметра. Различия и погрешности цифровых и аналоговых устройств. Подключение микроамперметра....
28 08 2026 7:14:43
На сегодняшний день наши компании способны решать задачи пpaктически любого класса сложности в электрических сетях 0.4-20кВ....
27 08 2026 20:33:25
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
