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
Принцип действия и технические хаpaктеристики вольтметров: электромеханические и электронные аппараты. Подключение вольтметра к цепи переменного и постоянного тока....
13 06 2026 12:45:14
Организация комиссии по проверке знаний по электробезопасности. Типы и регулярность проверок. Главные требования и основные правила по созданию комиссий для проверки знаний по электробезопасности....
12 06 2026 15:54:48
Выбор низковольтового паяльника 12в. Диапазон использования инструмента. Изготовление паяльника 12 вольт своими руками. Ограничения по мощности автомобильного паяльника. Подключение паяльника к сети автомобиля....
11 06 2026 11:56:17
Принцип буравчика (правило правого винта) с точки зрения физики. Формулировка закона правой руки для соленоида с током. Закон левой руки как основа законов Ампера. Расчет индуктивности катушек и формирование противотоков....
09 06 2026 15:33:24
Категории сотрудников, допускаемые к работам в электроустановках. Виды допусков для выполнения работ на электрических установках. Нормативные документы о периодичности обучения электробезопасности на предприятиях....
08 06 2026 19:38:12
Опасности поражения электрическим током. Сопротивление тела и сила тока. Хаpaктеристика путей прохождения тока. Определение понятия заземления. Правила техники электробезопасности в промышленности и в быту....
07 06 2026 0:23:15
Как усилить сигнал: применение антенн активного типа. Классификация ТВ усилителей: широкополосные, многодиапазонные и диапазонные. Изготовление усилителя сигнала телевизионных антенн: улучшение приема телевизора своими руками...
06 06 2026 9:48:35
Расшифровка и электрические параметры кабеля ААШВ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. Кабель ААШВ: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Особенности конструкции провода....
05 06 2026 9:39:10
Принцип работы высоковольтных выключателей с сжатым воздухом. Их классификация и назначение. ИХ особенности эксплуатации. Самые распространённые типы....
04 06 2026 2:11:21
Технология поверхностного монтажа (SMD-технология). Преимущества использования smd деталей. СМД-маркировка электрических элементов следующих групп: двух, трех и более контактных деталей. Маркировки резисторов....
03 06 2026 12:51:40
Правила установки накладных розеток. Особенности их монтажа на деревянные стены. Конструктивный дизайн, а также заключение, фото и видеоматериал....
02 06 2026 9:28:58
Закон Ома для полной замкнутой цепи. Принцип пропорциональности. Особенности сопротивлений в источниках питания. Как вычислить сопротивление ЭДС. Что такое теория электро- радиотехнических цепей....
01 06 2026 15:28:46
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 05 2026 10:23:15
Определение производственной мощности. Взаимосвязь параметров цепи: формула для вычисления. Проблемы низкого cos φ и способы их решения. Коэффициент использования установленной мощности как важнейшая хаpaктеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики....
30 05 2026 14:17:45
Что такое счетчик двухтарифный: принцип работы прибора. Монтаж счетчика двухтарифного: уполномоченные организации. Преимущества и недостатки прибора. Разновидности конструкций. Подключение двухтарифных приборов учета....
29 05 2026 0:25:40
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы lV по электробезопасности...
28 05 2026 6:51:43
Принцип действия и конструктивные особенности всех видов элегазовых выключателей высокого напряжения. Их преимущества, недостатки и обслуживание....
27 05 2026 5:54:11
Определение мощности как основной хаpaктеристики электрооборудования. Мощность: определение с помощью закона Ома. Расчёт мощностей электрического тока в сетях переменного и постоянного напряжения. Однофазные нагрузки....
26 05 2026 3:44:21
Виды стабилизаторов напряжения в зависимости от мощности нагрузки в сети и других условий эксплуатации. Схема электронного стабилизатора. Таблица элементов схемы. Стабилизатор 220в: правила и особенности изготовления своими руками....
25 05 2026 13:28:13
Наиболее распространенные области применения датчиков движения для освещения. Датчик присутствия: типы и особенности монтажа и эксплуатации. Сенсорные инфpaкрасные датчики: настройка в зависимости от освещенности помещения....
24 05 2026 18:39:34
Устройство и разновидности проходных выключателей. Схемы подключения проходного выключателя в квартире и загородном доме. Проходной выключатель: монтаж своими силами....
23 05 2026 1:30:48
Индукционный счетчик это устройство для контроля потрeбления электроэнергии, мы расскажем о принципе его работы и основных плюсах и недостатках....
22 05 2026 9:54:36
Профессионал электрик с большим опытом работы в разных сферах электромонтажа и электроэнергетики отвечает на вопросы пользователей....
21 05 2026 22:43:58
Подключение с использованием блока защиты. Как изготовить блок защиты самостоятельно: принцип работы устройства. Использование диммирования. Микросхемы для фазового регулирования....
20 05 2026 10:40:41
Понятие кабельного чулка. Преимущества кабельных чулок, облегчающих процесс протяжки и фиксации кабеля. Разновидности кабельных чулок. Кабельные чулки с петлями различной модификации....
19 05 2026 4:53:56
Принцип работы полупроводникового диода. Как устроен диод. Для чего нужны диоды. Применение диодов: выпрямители, варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки, светодиоды. С какой силой тока и напряжением может работать диод....
18 05 2026 9:47:31
Что нужно для переделки инвертора. Устройство агрегата: узел подачи расходного материала и горелка. Электронный управляющий модуль. Изготовление полуавтомата из инвертора своими руками. Опробование полуавтомата в работе....
17 05 2026 1:12:56
Колебательный контур: определение. Формулы расчета резонансной частоты колебательного контура. Подключение к цепи индуктивной катушки. Определение резонанса как явления....
16 05 2026 6:32:11
Применение масляных выключателей, их основные типы. Принцип работы и устройство масляного выключателя в промышленной энергетике....
15 05 2026 20:55:58
Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....
14 05 2026 21:58:58
Виды соединений проводов и жил кабеля: от обычной скрутки до соединительной муфты. Преимущества термоусаживаемых соединительных муфт. Муфта соединительная термоусаживаемая: особенности производства ТСКМ....
13 05 2026 9:39:55
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
12 05 2026 21:19:22
Назначение маркировок в электронных устройствах. Правила и виды маркировок согласно действующим нормативам (в т.ч. ПУЭ): красный, черный: плюс, минус. Определение полярности в отсутствии маркировки с помощью измерительных приборов или светодиода....
11 05 2026 19:46:34
Для монтажа электрощита нужно его выбрать , осуществить установку аппаратуры и разводку проводов своими руками или воспользоваться готовыми вариантами....
10 05 2026 11:56:11
Филаментные лампы, изготовленные по уникальной технологии в корпусе с различным дизайном, достойно заняли нишу экономичных светодиодных ламп....
09 05 2026 4:27:17
Газоразрядные лампы для проектора названы так по причине свечения, которое происходит в среде инертного газа и паров металлов, а не в воздухе....
08 05 2026 2:52:43
Классификация проводов ВВГНГ: расшифровка аббревиатуры FRLS. Технические хаpaктеристики ФРЛС-кабеля. Особенности конструкции огнестойких силовых кабелей. Направления применения. Условия монтажа и эксплуатации кабеля силового ВВГнг-FRLS....
07 05 2026 14:35:56
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВБбШв: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ВБбШв-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВБб-Шв (таблица)....
06 05 2026 20:32:14
Как часто требуется замена электрического счетчика: нормативы и межповерочный интервал. Виды счетчиков электроэнергии. Какими параметрами обладают электросчетчики. Преимущества двухтарифных и трехтарифных моделей....
05 05 2026 5:28:39
Виды частотных преобразователей. Области применения. Описание работы частотных электроприводов. Частотные преобразователи для асинхронного двигателя....
04 05 2026 3:52:11
Зачем нужны гирлянды метеоритный дождь. Как и где применять гирлянду падающий дождь. Устройство электрической гирлянды звездный дождь. Самостоятельное изготовление гирлянды занавес звезды....
03 05 2026 9:25:40
Определение и основные хаpaктеристики электрического поля. Особенности и свойства электрических полей. Проводники и диэлектрики в электро полях. Статическое распределение зарядов присущее электрическому полю....
02 05 2026 23:50:40
Общая информация о кабеле и проводе. Измерение сечения проводника по диаметру. Таблица: диаметр провода - сечение провода, как рассчитать допустимую мощность для проводников. Сечение сегментного кабеля....
01 05 2026 16:36:10
Разновидности датчиков движений применяемых для сигнализации: герконовые, инфpaкрасные, вибрационные и звуковые. Проводные, беспроводные и адресные датчики движения. Что важно учесть при выборе оборудования....
30 04 2026 1:38:23
Назначение кабельного тестера. Тестирование с помощью прибора различных кабелей: витой пары, коаксиального кабеля. Определение проблем сетей. Тестеры кабелей как универсальное устройство для обнаружение сетевых неисправностей....
29 04 2026 23:46:29
Как правильно выбрать и смонтировать освещение в гараже, а также различные варианты его расположения. Безопасность при разводке освещения в гараже....
28 04 2026 19:33:57
Функционал места жительства сейчас на первом месте, именно поэтому стоит установить у себя выдвижные розетки их разновидности поражают воображение....
27 04 2026 12:10:20
Трековые светильники обеспечивают узконаправленный свет, устанавливаются в интерьерах квартир, домов, торговых залов и т.д....
26 04 2026 23:28:36
Что такое процессор Ардуино. Схема подключения блока питания к плате с процессором Arduino. Особенности монтажа и проверки работы элементов и схемы в целом....
25 04 2026 9:25:28
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
