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
Прожектор для улицы с датчиком движения может использоваться в качестве элемента охранной системы. Он позволяет экономить электроэнергию....
14 09 2026 10:41:44
Гирлянда бахрома: использование на улице и внутри помещений. Преимущества и недостатки новогодней уличной светодиодной гирлянды бахрома со светомузыкой. Способы уличного монтажа для гирлянды бахрома....
13 09 2026 23:44:35
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....
12 09 2026 3:21:35
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....
11 09 2026 23:23:17
Суть закона полного тока. Пpaктическое применение в расчетах: формулы и законы. Напряженность магнитного поля и магнитная индукция. Распространение постулатов Кирхгофа на магнитные и электрические цепи....
10 09 2026 8:59:58
Конденсаторы из тантала и правила маркировки элементов. Виды буквенно-цифровой маркировок конденсаторов. Маркировка для танталовых SMD конденсаторов. Коды напряжения для SMD-тантала....
09 09 2026 11:29:32
Современная кухня это основной потребитель электроэнергии в квартире, чтобы избежать проблем с электропроводкой нужно правильно произвести её комплектацию....
08 09 2026 7:39:17
Что такое провод СИП: хаpaктеристика самонесущего изолированного провода, конструкция и состав. Преимущества СИП-кабеля. Виды кабелей СИП, правила монтажа самонесущих изолированных проводов....
07 09 2026 8:10:27
Как изготовить самодельную антенну для радио в домашних условиях. Разновидности антенн: стержневые, проволковые, телескопические. Конструкция FM антенны для приемника. Подключение антенны....
06 09 2026 18:49:37
Параметры трaнcформаторов тока должны соответствовать правилам коммерческого учета, требованиям энергопоставляющей компании и нормативной документации....
05 09 2026 16:26:30
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....
04 09 2026 14:42:23
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
03 09 2026 16:14:40
Принцип работы ксеноновых ламп. Главные свойства, применение, основные составляющие изделий. Маркировка и срок службы ламп под ксенон. Советы при выборе....
02 09 2026 21:40:56
Сложности пайки и лужения алюминия в домашних условиях из-за хаpaктерного металлического налета. Виды высокотемпературного припоя и флюсовая компонента для спаивания алюминиевой проводки. Пайка алюминиевых соединений газовой горелкой....
01 09 2026 17:16:19
Какие розетки подходят для варочных панелей или духовых шкафов. Варианты изготовления и производители изделий. Правильная розетка для электроплит. Правила монтажа розеток для мощной кухонной техники....
31 08 2026 0:14:57
Полная мощность и ее составляющие. Формула взаимосвязи между общей, активной и реактивной мощностью. Коэффициент мощности (косинус фи) на примере асинхронного двигателя и генератора. Мероприятия по увеличению коэффициента мощности....
30 08 2026 6:59:47
Чтобы проверить счетчик нужно знать как часто это нужно делать и как правильно это делать, мы даем полный алгоритм действий для самостоятельной проверки!...
29 08 2026 7:49:59
Функционал места жительства сейчас на первом месте, именно поэтому стоит установить у себя выдвижные розетки их разновидности поражают воображение....
28 08 2026 20:51:38
Подробное описание самостоятельного подключения дифференциального автомата, анализ основных ошибок установки, схемы и рекомендации по теме...
26 08 2026 12:50:20
Способы утилизации, трaнcпортировки, хранения и выды опасных для здоровья человека ламп. Утилизация аккумуляторов и конденсаторов входящих в их состав....
25 08 2026 5:25:23
Гипсокартон не совсем удобный материал для установки розетки, но общий порядок работ не сильно отличается от установки в другие типы стен....
24 08 2026 6:48:15
Определения и условия сpaбатывания максимальной токовой защиты. Виды приборов токовых защит. Максимальная токовая защита: предварительная подготовка специального измерительного оборудования. Определяем токовую отсечку (ТО)....
23 08 2026 11:36:24
Освещение бассейна и нюансы в оформлении. Особенности общего освещения. Специфика в организации подводного света. Освещение по контуру и подсвечивание....
22 08 2026 15:40:26
Назначение термоэлектрического преобразователя. Принцип работы термопары. Разновидности и конструктивные особенности термопар. Конструктивные особенности термопар, типы и хаpaктеристики....
20 08 2026 11:44:31
Разница между контактором и пускателем. Виды магнитных пускателей: классификация приборов по способу размещения и защищённости от вредных воздействий. Схема подключения электромагнитного контактора....
19 08 2026 22:37:45
Принцип действия стабилизатора. Виды стабилизаторов: электронные, электромеханические и феррорезонансные стабилизаторы. Применение и эксплуатационные хаpaктеристики. Что такое байпас (Bypass) в стабилизаторе. Схема байпаса....
18 08 2026 3:11:13
Требования для существования постоянного электрического тока. Электрический ток и его плотность: определение и формулы для вычисления величины. Виды электротока, условия протекания и единицы измерений рассмотренных величин. Вектор плотности тока....
17 08 2026 22:12:36
Разница между пассатижами и плоскогубцами. Виды инструмента: диэлектрический, слесарный, пассатижи для люверсов. Плоскогубцы или плоскозубцы - есть ли разница. Рекомендации по выбору изделий....
16 08 2026 8:39:36
С какой периодичностью следует проводить замеры сопротивления изоляции электропроводки. Основные требования к изоляционному материалу проводников. Нормативы ПУЭ для сопротивления изоляций электропроводки....
15 08 2026 3:33:37
Детские светильники выполнены с применением источников света специально созданных для детей и позволяют подобрать модели для общего и локального освещения....
14 08 2026 6:40:25
Кольцевой выключатель: самый простой датчик движения. Световые датчики движения. Использование емкостных реле. Изготовление лазерных датчиков в домашних условиях. Платформы для конструирования самоделок....
13 08 2026 22:48:29
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....
12 08 2026 19:10:25
Правило и применение делителя напряжений в радиоэлектронике. Принцип делителей напряжений, виды схем и расчетные формулы. Закон Кирхгофа и закон Ома. Примеры расчетов. Калькулятор онлайн....
11 08 2026 7:23:10
Способы пайки: пайка прибором, работающим от тока, с помощью газовой горелки, стыковка двух материалов или провода без паяльника. Как правильно паять паяльником с кислотой....
10 08 2026 1:13:34
От чего защищается электрооборудование. Государственный стандарт (ГОСТ) степеней защиты IP. Интерпретация кодов. Применение устройств с конкретными индексами. Расшифровка дополнительных букв в кодах. Особенности использования IP-кодировки...
09 08 2026 12:28:39
Подключить, монтировать трaнcформатор тока в цепях защиты и измерения. Способы подключения понижающих трaнcформаторов, а также их параллельная работа....
08 08 2026 22:15:57
Виды и классификация автоматических выключателей. Приборы для работы со сверхвысокой нагрузкой. Назначение автоматического выключателя. Процесс монтажа автомата для постоянного и переменного тока....
07 08 2026 3:27:22
Электрический ток: единицы мощности, способы измерения, определение. Активная и реактивная мощность тока. Прямые и косвенные замеры. Как обозначается мощность тока. Аналоговые и цифровые приборы для вычисления силы (мощности) токов....
06 08 2026 4:35:56
Важнейшей хаpaктеристикой сварочного инвертора является максимальный ток сваривания или мощность - это определяющая способность устройства...
05 08 2026 12:34:59
Преимущества сенсорного выключателя. Устройство и принцип действия. Пpaктические схемы: регулируемый выключатель, простая 2-х транзисторная схема. О сенсорном выключателе: своими руками устанавливаем и ремонтируем изделие....
04 08 2026 11:29:36
Что называется электролабораторией? Типы электрических испытаний. Правила получения свидетельства о регистрации электротехнических лабораторий в Ростехнадзоре. Виды испытательных и измерительных мероприятий проводимых электролабораториями. Передвижная электролаборатория....
03 08 2026 23:20:46
Описаны нормы освещения снип и санпин для разных государственных учреждений, улиц и всех основных помещений. Изложены общие требования по освещению....
02 08 2026 18:19:31
Кабель в резиновой изоляции имеет одно неоспоримое преимущество среди остальной продукции это гибкость. Однако они уступают бумажной или же ПВХ изоляции....
01 08 2026 22:30:28
Требования к устройствам автоматического ввода резерва и их типы. Принцип действия АВР. Автоматический ввод резерва на мощных контакторах: особенности и преимущества....
31 07 2026 5:22:38
Способы освещения светодиодными источниками света загородных домов, частных домов из дерева, придомовой территории, а также многоквартирных домов....
30 07 2026 7:50:27
Появление химических источников тока, их применение в быту и на производстве. Классификация, хаpaктеристики и выбор. Способы и методы утилизации....
29 07 2026 16:36:46
Способы подключения ламп через один, два выключателя, датчик движения или проходные выключатели, а также параллельное и последовательное подключение....
28 07 2026 11:27:13
Расшифровка маркировки кабеля АСБЛ. Область применения и особенности эксплуатации кабеля. Конструкция и технические хаpaктеристики провода АСБЛ. Монтажные работы и обозначение в нормативных документах....
27 07 2026 20:54:39
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
