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
Появление химических источников тока, их применение в быту и на производстве. Классификация, хаpaктеристики и выбор. Способы и методы утилизации....
23 03 2026 18:33:16
Принципиальна схема симисторного однофазного стабилизатора. Достоинства и недостатки современных стабилизаторов на симисторных элементах. Симисторный стабилизатор 12 вольт: схема сборки своими руками....
22 03 2026 21:23:39
Дизайнерские напольные и встраиваемые светильники в стиле ретро. Основные виды устройств и принцип работы. Главные правила и рекомендации по выбору, фото....
21 03 2026 1:44:12
Система дистанционного управления для потолочных светильников. Принцип дистанционного управления: радиус действия, защита от помех и посторонних сигналов. Места установки контроллеров ДУ....
20 03 2026 18:15:16
Описание и принцип работы электромеханического стабилизатора. Электромеханический стабилизатор напряжения: устройство и основные узлы прибора. Автотрaнcформатор и щеточный узел. Сервопривод и блок электроники электромеханических стабилизаторов....
19 03 2026 4:52:19
Как развивалось учение о магнитном поле. Хаpaктеристики магнитного поля. Природа возникновения магнитных полей. Как представить магнитное поле. Какие бывают магнитные поля. Получение энергии из магнитного поля Земли....
18 03 2026 17:40:51
Области применения комнатных терморегуляторов: от встроенного терморегулятора к автономным (внешним) термостатам. Как функционируют механические и электронные модели. Комнатный регулятор температуры: особенности выбора регулирующих устройств....
17 03 2026 16:37:13
Функциональные группы в энергетике (таблица). Группы по электробезопасности, аттестационные права ЭБ (таблица). Таблица необходимого для последующей аттестации стажа в электрических установках. Аттестация по электробезопасности....
16 03 2026 12:10:30
Как правильно крепить люстру к натяжному потоку своими руками. Установка светильников на натяжной потолок: необходимый инструмент и крепежный материал. Схема размещения проводки....
15 03 2026 14:44:55
Современные магнитные материалы для изготовления сердечников катушек индукции. Влияние на индуктивность числа витков и способа намотки. Понятие самоиндукции. Изготовление катушки индуктивности своими руками....
14 03 2026 15:45:16
Устройство прибора. Основные неисправности. Ремонт люстр с пультом управления: ремонтируем передатчик и приемник. Рекомендации по уходу и обслуживанию светильников с ДУ....
13 03 2026 7:11:52
Применение масляных выключателей, их основные типы. Принцип работы и устройство масляного выключателя в промышленной энергетике....
12 03 2026 7:33:19
Что такое электрическое напряжение, случаи требующие его измерения, единицы измерений. Действующее значение напряжения и определение его величины. Сеть постоянного и переменного тока. Требования к измерительным приборам....
11 03 2026 19:15:35
Определение положительно и отрицательно заряженного электрода. Применение катода и анода в теории и пpaктике. Применение в электрохимии. Использование катодов и анодов в вакуумных электронных приборах. Маркировки....
10 03 2026 23:15:15
Принцип работы простейшего электрического дверного звонка. Разновидности в зависимости от назначения. Проводные дверные звонки и беспроводные устройства. Об установке дверных звонков....
09 03 2026 4:16:59
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ПуГВ (аналог ПВ-3): требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ПуГВ-провода и кабеля ПуГВВ. Конструктивные хаpaктеристики проводов ПуГВ и ПуГВВ....
08 03 2026 6:16:19
Аварийное освещение имеет ряд требований и является обязательным при строительстве объектов, относящихся к определенной категории....
07 03 2026 7:35:28
Основные виды применяемых при эксплуатации трaнcформаторов защит. Их принцип действия и выбор. Особенности защиты печных трaнcформаторов....
06 03 2026 21:40:27
Что нужно знать о радиотехнике и радиоэлектронике начинающему радиолюбителю. Какие нужны инструменты, материалы и измерительные приборы. Паяльник для начинающего радиолюбителя. Техника безопасности. Полезные советы....
05 03 2026 15:40:39
Конденсатор 2A-104-J. Общая информация, эксплуатационные и предельные параметры конденсаторов 2A104J. Особенности применения конденсатора 2A 104 J. Плёночные конденсаторы с диэлектриком из полиэтилентерефталата....
04 03 2026 16:39:39
Принцип действия терморезистора. Виды и особенности конструкции терморезисторов, технические хаpaктеристики. Отличие позисторов от термисторов. Терморезистор: области применения, преимущества и недостатки....
03 03 2026 11:21:46
Самостоятельный монтаж электропроводки дело трудоемкое, но выполнимое! Главное знать несколько основных правил прокладки кабеля и установки аппаратуры....
02 03 2026 9:53:42
Назначение лазов электромонтажных. Виды когтей монтерских КМ. Когти электрика: правила использования, техника безопасности. Что такое КЛМ2. Серповидные лазы. Когтить по опорам: жаргон электриков....
01 03 2026 5:12:14
Время токовые хаpaктеристики автоматических выключателей бывают А, B, C, D, Z, К типов. Они отличаются соотношениями между действующим и номинальным токами....
28 02 2026 8:16:53
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....
27 02 2026 12:53:16
Грамотное освещение гардеробной делают ее многофункциональной, способствует правильному хранению вещей в определенном порядке и быстрому их отысканию....
26 02 2026 18:55:21
Расчет параметров катушки индуктивности: как рассчитать индуктивность однослойной намотки и прямого провода. Дроссель с сердечником: рассчитываем параметры обмотки, намотанной на каркас, диаметром намного меньше длины. Формулы....
25 02 2026 5:35:45
Особенность стабилизатора на транзисторах. Стабилизатор тока на одном транзисторе: схема. Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов. Как сделать светодиодный стабилизатор-LM317....
24 02 2026 7:37:39
Определение эквивалентного сопротивления. Разница в методике определения эквивалентного сопротивления в цепях с последовательным и параллельным соединением элементов. Расчёт при смешанном соединении устройств. Физические формулы, примеры вычислений....
23 02 2026 2:25:45
Преимущества,особенности и конструкция металлогалогенных светильников, а также инструкция по их подключению от профессионального электрика....
22 02 2026 16:23:53
Что такое флюс для пайки: его предназначение и способы использования. Разновидности паяльных флюсов: активные, бескислотные, активизированные и антикоррозийные. Правила применения флюса при пайки. Самостоятельное изготовление....
21 02 2026 11:55:15
Особенности полярных изделий. Проводящие материалы, используемые в конденсаторах: алюминиевые и танталовые электролиты и изделия из полимеров. Особенности конструкции и включения НЭК....
20 02 2026 21:32:27
Электрическое сопротивление тела человека. Человек как проводник электрического тока. Значение полного сопротивления тел людей. Место приложения электротока и значение его показателей. Физиологические факторы и показатели окружающей среды....
19 02 2026 8:35:14
Технические и эксплуатационные хаpaктеристики гибкого силового кабеля из меди и бронированных проводов из алюминия. Монтаж бронированного алюминиевого провода под землей. Способы применения гибких силовых кабелей....
18 02 2026 5:10:52
Что такое мощность электроэнергии. Мгновенное значение электрической мощности. Расчеты для электроцепей переменного тока. Формулы измерений, калькулятор зависимости от тока и мощности. Расчет реактивных мощностей. Типы нагрузок в электроцепях....
17 02 2026 6:51:29
Что такое электричество? Получение и использование электрической энергии. Преимущество электричества: самый популярный источник энергии. Простые правила пользования электричеством. Природное электричество....
16 02 2026 13:53:22
Открытая электропроводка в кабель каналах хорошее решение для монтажа. Но стоит помнить о правилах прокладки кабеля в каналах, это залог успешной установки....
15 02 2026 13:54:36
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля ТППЭП. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. ТППЭП-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок....
14 02 2026 9:55:59
Преимущества использования кабель каналов для проводки. Виды электромонтажных каналов по материалу и месту расположения. Конструкция кабель-канала. Короба для электропроводки пластиковые: размеры и виды....
13 02 2026 23:55:12
Понятие о постоянном и переменном токе. Сравнительные хаpaктеристики постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток: различия при трaнcпортировке. Достоинства и недостатки переменных и постоянных электротоков....
12 02 2026 13:42:25
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....
11 02 2026 4:46:12
Описана установка алюминиевого профиля для светодиодной ленты, а также рассказано какие бывают виды профиля для светодиодов....
10 02 2026 4:15:32
Выбор подходящей конструкции: сравнение горизонтальных и вертикальных исполнений ветряных генераторов. Особенности конструкции лопастей. Изготовление ветрогенераторов своими руками из автомобильного генератора....
09 02 2026 3:31:17
Как образуется типовой ряд номиналов резисторов. Технологические нюансы производства радиотехнических изделий. Особенность изготовления резистивных элементов. Ряды сопротивлений резистора: таблица. Ряд сопротивления Е24....
08 02 2026 21:14:25
Физическое объяснение потенциала. Образование электрического поля и его особенности. Понятие однородных электрических полей. Энергия по перемещению положительно заряженной частицы....
07 02 2026 22:52:27
Что нужно знать о защитных заземлениях. Правила монтажа защитного заземления в частном доме с учетом сопротивления грунта. Защитное заземление: области применения от промышленных электроустановок до квартиры....
06 02 2026 7:40:35
Параметры емкостного сопротивления в различных схемах. Определение емкостных сопротивлений в цепях электрического тока по формуле. Векторное представление ёмкости. Ёмкостное сопротивление: единицы измерения и пример расчетов....
05 02 2026 10:55:40
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
04 02 2026 9:53:39
Что такое счетчик электроэнергии, куда подавать показания электросчетчиков, каковы сроки подачи ‒ все это вы узнаете с помощью нашей статьи!...
03 02 2026 5:54:38
Для чего нужен ограничивающий резистор. Расчёт сопротивления резистора и его мощности. Шунтирование светодиодов резистором....
02 02 2026 20:41:11
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
