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
Особенности работы преобразователей напряжения различного хаpaктера и применения, их принципиальные схемы и ремонт....
10 10 2026 23:13:25
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....
09 10 2026 4:34:54
Требования к силовым штепсельным соединениям. Маркировка и электрические параметры розетки трехфазной. Конструкция и монтаж розетки. Подключение разъема розеток трехфазных, электрических....
08 10 2026 9:22:21
Преимущества кабеля из сшитого полиэтилена. Особенности конструкции и варианты исполнения СПЭ кабелей. Кабель из сшитых полиэтиленов: устройство и обязательные элементы. Специфика применения и классы продукции....
07 10 2026 15:37:11
Сетевой шуруповерт: рейтинг производителей. Какие сетевые электрические шуруповерты лучше: параметры для выбора. Питание от сети или аккумулятора: преимущества и недостатки. Основные хаpaктеристики сетевых электрических шуруповертов....
06 10 2026 4:52:17
Принцип работы антенны GPS (Global Positioning System). Типы антенн: встроенные и внешние, активные и пассивные. Подключение гаджетов к антеннам GPS. Об антеннах GPS: стационарные и автомобильные, как изготовить антенну GPS своими руками....
05 10 2026 7:23:54
Определение мощности стабилизатора. Методики расчёта мощности СН по техническим хаpaктеристикам и таблицам максимальных нагрузок. Онлайн калькуляторы для расчета мощностей стабилизаторов. Мощный стабилизатор напряжения: виды устройств....
04 10 2026 18:22:47
Что называется перекосом фаз. Расчет дисбаланса напряжений по формуле. От чего зависит симметрия напряжения системы между распредсетями и потребителями электроэнергии. Перекосы фазы в трехфазных и однофазных сетях тока (ПУЭ)...
03 10 2026 1:55:21
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....
02 10 2026 16:34:41
Какой вред от разбитой люминесцентной лампы и советы как правильно и лучше всего утилизировать осколки, и очистить помещение от ртути....
01 10 2026 10:23:22
Схема и принцип работы зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов. Требования к самодельному устройству зарядки АКБ. Диодный мост для зарядного устройства своими руками. Как узнать состояние батареи....
30 09 2026 16:26:17
Применение, преимущества и способы использования трехклавишного выключателя с розеткой. Виды устройств и особенности подключения. Методы подключения: с распределительной коробки и без нее. Ошибки при монтаже....
29 09 2026 7:51:53
Устройство приборов и хаpaктерные признаки. Выключатели механического типа и магнитные приборы. Правила монтажа концевых выключателей двери. Применение концевых выключателей для управления дверьми....
28 09 2026 0:39:41
Устройство и разновидности проходных выключателей. Схемы подключения проходного выключателя в квартире и загородном доме. Проходной выключатель: монтаж своими силами....
27 09 2026 15:43:52
Экстренная реанимация батареи "на один звонок". Использование пальчиковой батарейки. Солнечные батареи и переносные зарядные устройства. Зарядка для телефона без розетки за городом и на отдыхе....
25 09 2026 5:30:12
Колебательный контур: определение. Формулы расчета резонансной частоты колебательного контура. Подключение к цепи индуктивной катушки. Определение резонанса как явления....
24 09 2026 19:57:39
Разновидность кабель каналов: цепеобразный, трубчатый (гофрированный), секционный. Различие гибких каналов для кабеля по способу укладки и типу. Сфера применения, требования пожарной и электробезопасности к гибкому каналу для кабелей....
22 09 2026 2:23:59
Законы Кирхгофа и термины, введённые в правила электротехники: ветвь, узел, контур. Отличие первого и второго закона Кирхгофа, значение этих законов для мировой науки. Методы расчетов по первому и второму законам Кирхгофа....
21 09 2026 0:34:13
Принцип работы высоковольтных выключателей с сжатым воздухом. Их классификация и назначение. ИХ особенности эксплуатации. Самые распространённые типы....
20 09 2026 3:40:24
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....
19 09 2026 14:32:11
Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....
18 09 2026 0:17:24
Ремонт электрического оборудования важная функция. Правильная организация поможет обеспечить работоспособность и продлить срок службы....
17 09 2026 7:47:16
Запас прочности кабеля определяется сопротивлением изоляции поэтому важно своевременно проводить проверку с помощью специальных средств....
16 09 2026 18:33:27
Выбор низковольтового паяльника 12в. Диапазон использования инструмента. Изготовление паяльника 12 вольт своими руками. Ограничения по мощности автомобильного паяльника. Подключение паяльника к сети автомобиля....
15 09 2026 9:18:57
Прибор для измерения силы: динамометр. Измерение сил в системе СИ. Принцип действия и история изобретения динамометра. механические (рычажные или пружинные), электрические и гидравлические динамометры....
14 09 2026 10:45:45
Описание прибора электросчетчик Энергомера СЕ 101. Световые индикаторы и особенности индикационного табло Энергомеры СЕ-101. Схема подключения электросчетчика СЕ101. Поэтапная установка электрического счетчика....
13 09 2026 15:47:48
Виды релейных защит их назначение и классификация. Основные требования к релейным защитам, таким как АВР, АПВ, АЧР....
12 09 2026 20:59:17
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....
11 09 2026 17:42:45
Функциональные особенности онлайн осциллографа для ПК. Термины используемые программой онлайн-осциллографа. Преобразование компьютера в осциллограф. Применение программы в быту....
10 09 2026 22:55:40
Разновидности и особенности ИК-датчиков: извещатели скорости, детекторы PIR, съемные сенсоры и т.п. Способы расположения и схемы инфpaкрасных датчиков. Принцип работы датчиков движения. Критерии выбора инфpaкрасного датчика движений....
09 09 2026 8:34:14
Виды электросчётчиков: индукционные и электронные. Как правильно снимать показания электросчётчика. Форма оплаты для физических лиц. Правильность заполнения квитанций. Оплата электроэнергии по счетчику....
08 09 2026 7:14:24
Сейчас на рынке большое разнообразие декоративных розеток, мы покажем лучшие решения для вас! Керамика, дерево, фарфор и многое другое....
07 09 2026 11:18:10
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....
06 09 2026 14:42:39
Категории сотрудников, допускаемые к работам в электроустановках. Виды допусков для выполнения работ на электрических установках. Нормативные документы о периодичности обучения электробезопасности на предприятиях....
05 09 2026 11:13:10
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?...
04 09 2026 2:22:19
Общие правила и требования для промышленного монтажа электропроводки в производственном помещении. Инструкция, рекомендации и советы, а также фото....
03 09 2026 16:18:13
Принцип работы стабилизатора напряжения на транзисторах. Расчет хаpaктеристик стабилитронов. Компенсационные и импульсные стабилизаторы и алгоритм их работы. Схема стабилизаторов напряжения на транзисторе....
02 09 2026 12:55:39
Что такое счетчик электроэнергии, куда подавать показания электросчетчиков, каковы сроки подачи ‒ все это вы узнаете с помощью нашей статьи!...
01 09 2026 14:28:55
Что такое оптический кабель: виды исполнения оптических кабелей. Конструкция оптического провода. Технические хаpaктеристики цифрового оптического аудиокабеля. Сферы применения изделия. Кабель для домашнего кинотеатра и телевизора....
31 08 2026 16:58:29
Электротехнический плинтус предназначен для укладки электрических проводов, а также для осуществления подсветки в помещении и отопления выполняют важную роль....
30 08 2026 9:18:22
Определение и суть метода контурных токов. Контурные токи: особенности метода. Разновидности контурного представления. Пример расчета сложных цепей. Преимущества МКТ. Использование планарных графов и метод выделения максимального дерева....
29 08 2026 13:11:51
Вся интересующая вас информация есть на счетчике или в его паспорте, главное знать где искать! Мы сделали для вас пошаговую инструкцию....
28 08 2026 15:42:51
Диод Шоттки - полупроводниковый, применяющий в принципе своей работы барьерный эффект. Принцип работы диода Шоттки. Сдвоенный диод с барьером. Диоды Шоттки в источниках питания. Проверка диодов Шоттки....
27 08 2026 10:30:52
КВ антенна своими руками: конструкция и расчеты. Эффективные проволочные кв антенны для дальней связи. Укороченные антенны для радиолюбителей на 7 Мгц. Настройка антенн и контуров с помощью генератора помех....
26 08 2026 11:26:15
Линии электропередач их технические хаpaктеристики и разновидности. Воздушные и кабельные ЛЭП. Типы линий электропередачи в зависимости от мощности тока и напряжения. Что такое охранная зона ВЛ....
25 08 2026 5:58:56
Натриевая лампа, ее преимущества, в каких сферах применяются, недостатки натриевых ламп. Правила безопасности с такими лампами....
24 08 2026 4:57:18
Дифавтомат это электрозащитное устройство, которое защищает проводку, оборудование и человека от воздействия электричества при неполадках в эл.цепи....
23 08 2026 21:27:35
Что это такое УЗИП (Устройство для защиты от импульсных перенапряжений) ? Активная молниезащита. Молниезащита зданий. Расчет молниезащиты....
22 08 2026 18:26:37
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
