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 формулы расчёта коэффициента спроса, таблица и её основные моменты. Определение что такое коэффициент использования....
07 10 2026 12:39:19
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....
06 10 2026 11:51:22
Определение электролиза. Общая информация об электролизере. Принцип работы и виды электролизеров. Инструкция для самостоятельного изготовление электролизера и необходимые материалы. Электролизер в домашних условиях: техника безопасности....
05 10 2026 0:40:34
Конвертация ватт в амперы посредством формулы мощности из школьного курса физики. Перевод ампер в ватты: таблица перевода. Нюансы перевода единиц Вт в А и решаемые задачи (подбор автоматического выключателя, расчет сечения проводки и т.п.)...
04 10 2026 13:32:21
Строение NYM-кабеля. Основные хаpaктеристики кабеля NYM. Преимущества и недостатки НУМ кабелей. Области применения, способы монтажа, производители и условия хранения кабельной продукции с маркировкой NYM....
03 10 2026 0:28:13
Механический терморегулятор: схема работы простого терморегулятора. Терморегуляторы на трех элементах. Термостат для котлов отопления. Цифровой термостат с точной калибровкой на микроконтроллерах....
02 10 2026 6:40:37
Общее понятие о преобразователях DC DC. Принцип работы импульсного преобразователя. Параметры импульсных преобразователей. Широтно-импульсная модуляция. Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой....
01 10 2026 8:21:37
Выбирая светильники для кухни при декорировании, руководствуются правилами дизайна и принципами деления помещения на функциональные зоны....
30 09 2026 6:44:45
Современное цифровое телевещание и преимущества диапазона ДМВ. Самодельные дециметровые антенны. Параметры самодельных дециметровых антенн. Особенности самостоятельного изготовления и последующего подключения к телевизору.....
29 09 2026 3:29:16
Программа по электробезопасности 2 группа - кому присваивается, дистанционное обучение и аттестационные центры. Требования для получения: что входит в курс. Аттестация сотрудников предприятий....
28 09 2026 17:46:32
Взрывозащищенные светильники используются во многих отраслях промышленности, обеспечивая безопасное нахождение человека на объектах с взрывоопасной средой....
27 09 2026 22:29:29
Индукционный счетчик это устройство для контроля потрeбления электроэнергии, мы расскажем о принципе его работы и основных плюсах и недостатках....
26 09 2026 16:11:53
Формула и расчет КПД электрической цепи. Для чего нужен расчет коэффициента полезного действия. Определение мощности. Нахождение тока и определение значений для каждого элемента в электрической цепи....
25 09 2026 7:22:30
Кабель utp: основные хаpaктеристики и расшифровка аббревиатуры. Виды utp-кабелей. Отличие провода фтп от ютп. Правила монтажа utp-кабеля. Коннекторы для ютп проводов....
24 09 2026 23:32:56
Устройство и принцип работы реостата. Виды и назначения реостатов по материалу изготовления. Реостаты металлические, жидкостные, керамические и угольные: принципиальные различия. Реостат и его значимость в работе системы электросети....
23 09 2026 16:27:40
Классификация индивидуальных средств защиты от поражений электрическим током. Таблица защитных средств в ЭУ. Защитная одежда и другие элементы защиты тела. Защита органов дыхания и от падения с высоты....
22 09 2026 23:45:27
Коммерческий учет это финансовый расчет между предприятием поставляющим электрическую энергию или производящими ее и конечным потребителем....
21 09 2026 8:46:50
Механизм образования газа. Сырье для биогаза. Биогаз: технология получения, преимущества и недостатки. Конструкция биогазовой установки для частного или фермерского хозяйства....
20 09 2026 11:46:56
Условия резонанса: понятие, определения и формулы. Что такое резонанс токов и напряжений. Какие резонансы возникают в последовательных контурах, а какие в параллельных. Применение резонансов: магнетроны и феррорезонансные стабилизаторы напряжения....
19 09 2026 20:31:16
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....
18 09 2026 7:43:10
Устройство прибора. Основные неисправности. Ремонт люстр с пультом управления: ремонтируем передатчик и приемник. Рекомендации по уходу и обслуживанию светильников с ДУ....
17 09 2026 8:49:44
Что такое обжимные клещи и для опрессовки каких проводов их можно применять. Разновидности пресс клещей для обжима наконечников и гильз. Как правильно пользоваться инструментом для обжимки проводов....
16 09 2026 21:27:35
Основные хаpaктеристики автомата вводного. Однополюсники и двухполюсники: преимущества и недостатки. Об автомате вводном: устройство выключателя для квартиры, схемы установки и подключения....
15 09 2026 22:34:56
Виды миллиамперметров и микроамперметров. Сравнительные хаpaктеристики приборов. Общая информация, сферы применения миллиамперметра. Различия и погрешности цифровых и аналоговых устройств. Подключение микроамперметра....
14 09 2026 15:15:24
Светодиоды для аквариума - важная составляющая системы жизнеобеспечения и комфортные условия существования организмов-гидробионтов....
13 09 2026 17:48:11
Подключение электричества к участку с дачным строением организуется в установленном порядке, предполагающем выполнение следующих обязательных процедур....
12 09 2026 6:14:36
Электронный запуск люминесцентных ламп с помощью ЭПРА, его принцип работы, подключение, распространённые неисправности, и советы по выбору балластника....
11 09 2026 15:39:34
Сопротивление с активным свойством в цепи переменного тока. Хаpaктеристики потерь. Формула активного сопротивления в цепи переменного тока. Треугольник сопротивлений. Особенности реактивного сопротивления....
10 09 2026 4:16:56
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....
09 09 2026 5:33:23
Виды и классификация автоматических выключателей. Приборы для работы со сверхвысокой нагрузкой. Назначение автоматического выключателя. Процесс монтажа автомата для постоянного и переменного тока....
08 09 2026 11:50:39
Назначение, принцип действия и конструктивные особенности измерительных трaнcформаторов тока, их выбор и испытание....
07 09 2026 1:28:56
Советы по изготовлению электрических и электронных самоделок. Самодельная электрическая гирлянда. Светомузыка своими руками. Самоделки для начинающих. Самоделки своими руками: электрика DIY....
06 09 2026 5:31:59
Суть явления, определение резонанса в физике и виды резонансных явлений. Механический резонанс. Электрический колебательный контур и сложные колебательные структуры. Опасности и польза резонансов....
05 09 2026 23:36:28
Генератор для мобильного инвертора. Расчет мощности генератора (эффективная и реактивная мощность). Какой генератор потянет инверторные сварочные аппараты: какой бензогенератор выбрать....
04 09 2026 16:19:31
В каких случаях необходимо усиление сигнала для LTE модемов Yota. Виды внешних антенн для роутеров Yota и преимущества их использования. Самодельная антенна для Yota: из банки из алюминия, антенна Харченко и спутниковая антенна....
03 09 2026 20:37:30
Вольт-амперные хаpaктеристики и свойства полупроводников. Какие бывают ВАХи диодов. Методы измерений ВАХ полупроводникового диода. Что такое типовая вольт-амперная хаpaктеристика. Что такое стабилитрон и отличия его хаpaктеристик....
02 09 2026 19:10:45
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....
01 09 2026 1:49:45
Беспроводная передача энергии. Способы беспроводной передачи электричества. Питание электроприборов беспроводным способом. Современные разработки передачи энергии без провода: наиболее перспективные пути беспроводной передачи электроэнергии....
31 08 2026 9:43:21
Монтаж освещения выполняется после составления проекта в соответствии с требованиями электротехнической безопасности и с учетом особенностей интерьера....
30 08 2026 8:19:10
Счётчики старого и нового образца их отличие. Типы устаревших счётчиков. Для начала нужно разобраться какие, вообще, бывают счётчики....
29 08 2026 21:55:20
Определение и нормы коэффициентов пульсации светового потока. Причины и источники мерцаний. Измерение коэффициентов пульсаций световых потоков. Стробоскопический эффект: положительные стороны и негативные последствия. Способы борьбы с мерцаниями....
28 08 2026 8:27:39
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....
27 08 2026 18:42:50
Все кто занимается радиоэлектроникой, сталкивались с перегревом паяльника. Это может быть недорогой недавно купленный паяльник, который вышел из строя....
26 08 2026 6:52:30
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 16:57:54
Устройство и параметры АКБ-18650. Защитная электронная плата аккумуляторной батареи 18650. Аккумулятор АКБ18650: выбор производителей лучшей батарейки. Механическая защита, емкость и токоотдача аккумулятора....
24 08 2026 2:15:54
Пластиковые каналы, особенности металлических, железобетонных лотков их назначение. Перфорированные и неперфорированные лотки, удобство их прокладки....
23 08 2026 22:38:41
Изготовление самодельного металлоискателя с функцией дискриминации металлов в домашних условиях. Компоновка прибора по классической схеме. Самостоятельная сборка, намотка катушки, программирование....
22 08 2026 16:42:26
Суперконденсатор как устройство для накопления электрической энергии. Особенности конструкции и производители суперконденсаторов. Виды суперэлектролитов. Области применения. Достоинства и недостатки конденсаторных изделий....
21 08 2026 12:41:39
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы V по электробезопасности...
20 08 2026 0:37:21
Что такое пресс клещи КВТ и где они могут применяться. Особенности и технические хаpaктеристики различных видов обжимных клещей КВТ: пневматические, ручные и электрические. Как правильно пользоваться пресс клещами....
19 08 2026 15:21:12
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
