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
Устройство и разновидности проходных выключателей. Схемы подключения проходного выключателя в квартире и загородном доме. Проходной выключатель: монтаж своими силами....
07 10 2026 8:22:21
Кабеля и их классификация, различие кабельной продукции по материалу изготовления, параметрам экранирования и т.п. По каким признакам и свойствам классифицируются провода. Чем отличается кабель от провода....
06 10 2026 2:17:35
Особенности подключения электросчетчиков. Выбор счётчика: индукционный или электронный. Схемы подключения прибора учета электроэнергии. Расположение электрического счетчика в щитке. Подключение электросчетчика: правила безопасности....
05 10 2026 10:51:36
Как перевести лошадиные силы в квт. Таблица расхождений при определении лошадиной силы. Пpaктический аспект перевода мощности. Мощность двигателя: переводим лошадиную силу (ЛС) в киловатты....
04 10 2026 2:34:23
Технология сваривания аппаратами инверторного типа. Выбор конкретного аппарата для сварки жил проводников. Контактный, газовый и термитный способы сварки....
03 10 2026 5:38:21
Виды уличных всепогодных инфpaкрасных датчиков движения и принцип их работы. Радиоволновые и ультразвуковые датчики. Фотоэлектрический датчик для охраны периметра. Недостатки и преимущества беспроводных приборов. Дальность датчика для сигнализации....
02 10 2026 15:50:40
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....
01 10 2026 2:19:11
Правила установки устройства защиты. Подключение УЗО, подключение УЗО с заземлением. Как установить УЗО без ошибок....
30 09 2026 16:58:56
Опасности поражения электрическим током. Сопротивление тела и сила тока. Хаpaктеристика путей прохождения тока. Определение понятия заземления. Правила техники электробезопасности в промышленности и в быту....
29 09 2026 7:26:53
Автоколебательные транзисторные приборы: принципы работы и общее устройство. О генераторах на транзисторе: схема генератора на транзисторе DIY. Изображение на электрических схемах. Схемы генераторов на транзисторах....
28 09 2026 6:39:59
Основные понятия электротехники. Круг вопросов, рассматриваемых в большинстве курсов по электротехнике. Определения электромагнетизма, переменного тока и электрических машин (электродвигатели и генераторы)....
27 09 2026 6:29:32
Технологии приема и отправки информации в линиях беспроводной связи. Mimo антенна 4g lte своими руками или как изготовить антенну Харченко в домашних условиях. Сборка самодельной антенны для приема 4G....
26 09 2026 1:55:37
Полная инструкция по монтажу и подключению люстры самостоятельно. Подготовительные работы, люстра и выключатель, все виды люстр....
25 09 2026 22:38:30
Освещение в туалете и разновидности светильников, особенности монтажа и расположения. Использование подсветки в качестве дизайнерского элемента....
24 09 2026 14:36:40
Что такое ОДН по электроэнергии? Нормативы на ОДН по электроэнергии в многоквартирных домах в разных регионах. Порядок расчета ОДН по общедомовому счетчику. Сверхнормативное потрeбление электроэнергии на общедомовые нужды....
23 09 2026 16:36:14
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....
22 09 2026 13:29:40
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....
21 09 2026 9:22:13
Принцип работы сетевого фильтра: измерение выхода системы через конденсатор. Как изготовить сетевой фильтр самостоятельно: схемы распайки и подключения элементов цепи. Изготовление сетевых фильтров своими руками на основе двухобмоточного дросселя....
20 09 2026 20:19:58
Электрические и технические параметры генератора: расчет напряжения по формуле. Особенности ротора и статора. Как согласовать параметры функциональных частей. О генераторах на неодимовых магнитах: технические хаpaктеристики устройств....
19 09 2026 20:50:36
Филаментные лампы, изготовленные по уникальной технологии в корпусе с различным дизайном, достойно заняли нишу экономичных светодиодных ламп....
18 09 2026 2:51:55
Расчёт количества и мощности светильников, а также ламп для освещения жилых и производственных помещений. Расчет прожекторного освещения....
17 09 2026 7:35:36
Границы зон деятельности, получение статуса гарантирующего поставщика, а также заключение договора с физическими и юридическими лицами....
16 09 2026 14:14:53
Расшифровка маркировок проводников (кабели, силовые шнуры и т.п.). Кабель резиновый подвижного типа тяжелый: области применения и хаpaктеристики. Правила монтажа кабеля КРПТ. Сечения гибкого кабеля КРПТ....
15 09 2026 4:10:33
Разновидности кабельных лотков и особенности применения в зависимости от требований ПУЭ. Достоинства железобетонных кабель-каналов. Полимерные короба (ПВХ лотки): особенности монтажа и требования пожарной безопасности. Металлические КЛ. Правила заземления....
14 09 2026 17:43:57
Принцип действия стабилизатора. Виды стабилизаторов: электронные, электромеханические и феррорезонансные стабилизаторы. Применение и эксплуатационные хаpaктеристики. Что такое байпас (Bypass) в стабилизаторе. Схема байпаса....
13 09 2026 3:37:30
Промышленные светильники индукционные, классификация, преимущества и недостатки . Основные части установки, рекомендации при выборе индукционной лампы....
12 09 2026 6:56:25
Счётчики старого и нового образца их отличие. Типы устаревших счётчиков. Для начала нужно разобраться какие, вообще, бывают счётчики....
11 09 2026 2:27:38
Понятие изоляционных материалов, свойства и виды изоляции. Твердая и жидкая изоляция. Газообразные изолирующие диэлектрики. Свойства изоляционного вещества. Виды изоляций кабеля. Традиционные изоляционные материалы....
10 09 2026 3:24:52
Виды сетевого кабеля: от витой пары до оптиволоконных кабелей. Коаксиальный кабель: области и история применения. Витая пара: категории и расшифровки обозначений (маркировок). Оптоволоконные сетевые провода....
09 09 2026 12:45:40
Источники света в виде подвесных светильников, играют важную роль для создания комфорта и уюта в помещениях частных владений, квартирах....
08 09 2026 23:17:13
Ка называется профессия специалиста по электрике? Инженер-электрик. Где обучают: в колледже или техникуме? Как получить образование по специальности электрика. Высшее образование....
07 09 2026 11:33:17
Основные способы реанимации аккумуляторных батарей. Особенности подзарядки аккумулятора малыми токами. Замена электролита в аккумуляторе. Обратная зарядка АКБ. Восстановление заряда аккумуляторной батареи в дистиллированной воде....
06 09 2026 4:42:22
Как антенна усиливает сигнал. Виды WiFi антенн. Как устанавливается внешняя антенна для роутера. Как сделать антенну для роутера WiFi своими руками в домашних условиях. Что советуют специалисты: способы достижения наилучших результатов....
05 09 2026 23:14:24
Хаpaктеристики и виды термоусадочных трубок. Материалы применяемые при изготовлении термоусадочных трубок. Области и технология применения термоусаживаемой трубки. Как правильно пользоваться термоусадкой для кабеля....
04 09 2026 10:33:43
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВБбШв: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ВБбШв-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВБб-Шв (таблица)....
02 09 2026 16:58:36
Общее понятие о преобразователях DC DC. Принцип работы импульсного преобразователя. Параметры импульсных преобразователей. Широтно-импульсная модуляция. Преобразователь напряжения DС-DC с гальванической развязкой....
01 09 2026 11:48:54
Принцип стабилизации тока и требования к управляющему элементу. Суть стабилизации. Выбор схемы включения. Устройство и работа полевого транзистора: особенности полевых структур. Принцип управления переходом. Пример стабилизатора на полевом транзисторе....
31 08 2026 4:14:16
Назначение лазов электромонтажных. Виды когтей монтерских КМ. Когти электрика: правила использования, техника безопасности. Что такое КЛМ2. Серповидные лазы. Когтить по опорам: жаргон электриков....
30 08 2026 5:15:16
Конденсаторы из тантала и правила маркировки элементов. Виды буквенно-цифровой маркировок конденсаторов. Маркировка для танталовых SMD конденсаторов. Коды напряжения для SMD-тантала....
29 08 2026 19:29:23
Закон Ома для полной замкнутой цепи. Принцип пропорциональности. Особенности сопротивлений в источниках питания. Как вычислить сопротивление ЭДС. Что такое теория электро- радиотехнических цепей....
28 08 2026 23:17:47
Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....
27 08 2026 8:47:26
Для чего нужен тестер напряжения. Виды тестеров напряжений. Аналоговые мультиметры и цифровые тестировщики. LAN приборы. Общая методология исследований. Как правильно работать с тестером напряжения....
26 08 2026 11:21:50
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....
25 08 2026 11:37:51
Подготовка к замене, выбор правильного места. Основные инструменты и материалы для грамотного переноса розетки, пошаговая инструкция, а также фото и видео....
24 08 2026 5:36:34
Принцип действия сенсорных выключателей, их применение и типы. Схемы на полупроводниковых приборах. Преимущество эксплуатации таких выключателей....
23 08 2026 22:35:16
Что собой представляет щиток для электросчетчика и автоматов. В каком месте устанавливается электрощитки. Особенности выбора щитка для электросчетчиков. Минусы уличного размещения электрического щита. Как установить счетчик в щиток....
22 08 2026 5:54:10
Бестеневая лампа и светильник - надежные и пpaктичные осветительные приборы, которые нашли применение во многих отраслях промышленности и в медицине....
21 08 2026 7:13:14
Запас прочности кабеля определяется сопротивлением изоляции поэтому важно своевременно проводить проверку с помощью специальных средств....
20 08 2026 13:26:30
Почему в проводах и контактах происходит короткое замыкание. Что такое короткозамкнутый виток. Причины и устранение коротких замыканий в кабелях и соединениях. В каких случаях коротит скрытая проводка. Короткие замыкания: как найти и внешние признаки....
19 08 2026 8:27:27
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
