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
Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....
13 10 2026 17:28:51
Реактивное сопротивление резисторов и реактивных устройств. Понятие электрического импенданса. Вычисления падения напряжения на концах катушки индуктивности (соленоида). Расчет реактивного сопротивления конденсатора....
12 10 2026 3:59:28
Хаpaктеристики и устройство осцилятора (электронная схема). Типы осцилляторов по принципу непрерывного действия и импульсному способу питания дуги. Порядок изготовления плазмотрона своими руками в домашних условиях. Схема осциллятора для инвертора....
11 10 2026 16:12:10
Выбираем микропаяльник для пайки электросхем. Критерии выбора, назначение и область применения маленького паяльника. Виды паяльников и особенности конструкции. Температура жала. Нихромовые, керамические и индукционные приборы....
10 10 2026 6:25:37
Общедомовой счетчик электроэнергии, закон и распределение. Приборы могут быть одно-, двухтарифные и многотарифные - можно снизить затраты на освещение....
09 10 2026 18:49:13
Как спаять диодный мост: схема для изготовления. Состав выпрямительного модуля. Принцип действия диодного моста. Самостоятельное изготовление: необходимые инструменты и расходные материалы....
08 10 2026 6:50:48
Основные хаpaктеристики и принцип работы инверторного стабилизатора напряжения. Преимущества и недостатки инверторных стабилизаторов напряжения. Особенности выбора устройств. Стабилизатор напряжения с двойным преобразованием....
07 10 2026 19:40:57
Прожектор для улицы с датчиком движения может использоваться в качестве элемента охранной системы. Он позволяет экономить электроэнергию....
05 10 2026 9:49:14
Классификация типов тока на два вида: постоянный и переменный. Сила тока. Требования к сети и виды квартирных розеток. В розетке постоянный ток или переменный?...
04 10 2026 2:22:23
Как сделать аккумулятор: кислота и свинец. Соль, уголь и графит: изготовление аккумуляторной батареи в домашних условиях. Лимоны и апельсины в качестве ёмкости для электричества. АКБ своими руками из подручных средств....
03 10 2026 23:33:58
Особенности правильной зарядки автомобильной аккумуляторной батареи. Время заряда аккумуляторов. Выбор оптимального по мощности зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей. Правила обслуживания АКБ....
02 10 2026 4:41:11
Классификация амперметров по роду тока, принципу работы, классу точности. Принцип действия амперметра. Аналоговые и цифровые амперметры: недостатки и преимущества. Правила измерения переменного и постоянного тока амперметром (вольтамперметром)....
01 10 2026 3:25:25
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....
30 09 2026 6:13:28
Принцип действия терморезистора. Виды и особенности конструкции терморезисторов, технические хаpaктеристики. Отличие позисторов от термисторов. Терморезистор: области применения, преимущества и недостатки....
29 09 2026 9:25:13
Как работает электромагнит? Изготовление электромагнита 12в. в домашних условиях. Преимущества использования электромагнитов переменного тока. Расчеты изготовления магнитов для переменного и постоянного токов. Находим применения электромагниту в телевизорах, трaнcформаторах и пусковых устройствах автомобиля....
28 09 2026 13:36:38
Газоразрядные лампы для проектора названы так по причине свечения, которое происходит в среде инертного газа и паров металлов, а не в воздухе....
27 09 2026 21:33:38
Источники света в виде подвесных светильников, играют важную роль для создания комфорта и уюта в помещениях частных владений, квартирах....
26 09 2026 5:36:52
На чем основан норматив потрeбления электроэнергии на человека без счетчика. Нормативный показатель потрeбления э/э на 1 человека, кВтч/м (таблица). Виды нормативов для льготников, граждан проживающих в домах с электрическим отоплением....
25 09 2026 20:45:52
Что такое молниезащита зданий и сооружений. Принципы действия и устройство молниеотводов. Классификация объектов, подлежащих защите. Категории молниезащиты: устройство заземления по СНИП, требования ПУЭ и ГОСТ...
24 09 2026 14:14:40
Какой вред от разбитой люминесцентной лампы и советы как правильно и лучше всего утилизировать осколки, и очистить помещение от ртути....
23 09 2026 5:28:14
Особенности нагревательной процедуры: типовая методика. Особенности греющих кабелей: методики подключения к трaнcформатору. Рекомендации по монтажу провода для прогрева бетона: расчеты параметров кабельной системы....
22 09 2026 6:40:35
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....
21 09 2026 2:28:51
Для монтажа электрощита нужно его выбрать , осуществить установку аппаратуры и разводку проводов своими руками или воспользоваться готовыми вариантами....
20 09 2026 13:24:18
Прокладка кабеля под землей начинается с изучения норм прокладки КЛ и выбора проводника, далее составляем план работ и можно начинать!...
19 09 2026 16:53:11
Какие элементы питания лучше для шуруповертов: литиевые или никеливые. Сроки службы АКБ шуруповертов. Сравнительные рейтинги аккумуляторов. Возможна ли переделка шуруповерта под другой тип аккумулятора....
18 09 2026 9:41:35
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....
17 09 2026 2:29:23
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....
16 09 2026 22:29:38
Определение и взаимосвязь частоты и периодов тока. Взаимосвязь частотности и работы электрооборудования. Частотомер: назначение прибора. Высокая частота токов и ее применение в промышленности и медицинской технике....
15 09 2026 18:18:57
Конструкция и сферы применения кабеля греющего, саморегулирующегося. Классификация греющих кабелей. Как выбрать греющий кабель для бытового трубопровода. Монтаж резистивного греющего провода....
14 09 2026 16:20:21
Признаки повреждения резисторов. Проверка сопротивления мультиметром. Порядок проверки «подозрительного» резистора. Переменный резистор: правила проверки (прозвона). Измеряем позистор. Мультиметр: правила эксплуатации....
13 09 2026 19:35:14
Самостоятельная настройка антенны и ресивера НТВ плюс. Как установить спутниковую антенну своими руками. Ручная настройка спутниковой антенны НТВ плюс. Как настроить антенну НТВ Плюс Восток на разных телевизорах....
12 09 2026 2:37:38
Все кто занимается радиоэлектроникой, сталкивались с перегревом паяльника. Это может быть недорогой недавно купленный паяльник, который вышел из строя....
11 09 2026 19:33:21
Обустройство параллельного включения. Последовательное и смешанное подключение. Соединение проводников. О параллельном подключении лампочек: схема подключения, обозначения на схеме....
10 09 2026 2:24:27
Принцип действия и конструктивные особенности всех видов элегазовых выключателей высокого напряжения. Их преимущества, недостатки и обслуживание....
09 09 2026 10:39:24
Как изготовить самодельную антенну для радио в домашних условиях. Разновидности антенн: стержневые, проволковые, телескопические. Конструкция FM антенны для приемника. Подключение антенны....
08 09 2026 19:11:18
Разница между индукционными и электронными приборами, плюсы и минусы установок. Список рекомендуемых к применению счетчиков электроэнергии, фото и видео....
07 09 2026 20:40:30
Технические хаpaктеристики и принцип работы трехвыводного управляемого стабилизатора напряжения. Варианты использования регулируемых стабилизаторов напряжений в электронных схемах. Управляемый стабилизатор: настройка и ремонт....
06 09 2026 3:14:19
Особенности работы Li-Ion аккумуляторной батареи. От чего зависит зарядка аккумулятора. Общие правила зарядки литий ионных аккумуляторов. Выделим основные принципы того, как правильно и без вреда для работы заряжать и использовать литий-ионные аккумуляторы....
05 09 2026 10:36:48
Трековые светильники обеспечивают узконаправленный свет, устанавливаются в интерьерах квартир, домов, торговых залов и т.д....
04 09 2026 12:35:56
Устройство и параметры АКБ-18650. Защитная электронная плата аккумуляторной батареи 18650. Аккумулятор АКБ18650: выбор производителей лучшей батарейки. Механическая защита, емкость и токоотдача аккумулятора....
03 09 2026 18:59:42
Виды защитных средств. Как используются средства защиты согласно нормативно-технической документации. Требования по качеству и контроль. Сроки испытания средств защиты используемых в электроустановках....
02 09 2026 0:47:50
Виды существующих зон их время, в суточном понимании. Выбор многотарифных счётчиков для их учёта и экономическая выгодность....
01 09 2026 0:59:44
Что такое процессор Ардуино. Схема подключения блока питания к плате с процессором Arduino. Особенности монтажа и проверки работы элементов и схемы в целом....
31 08 2026 9:22:51
Кому присваивается 2 группа по электробезопасности и требования предъявляемые к аттестующимся. Должности со второй группой допуска по электробезопасности: порядок присвоения допуска....
30 08 2026 21:26:40
Пошаговая инструкция по штробированию стен своими руками. Подготовка план-эскиза и разметка стен. Выбор нужных инструментов для выполнения данных работ....
29 08 2026 5:12:34
Понятия о проводниках и диэлектриках. Классификация диэлектриков работающих в цепях с высокочастотным током. Полупроводники и сверхпроводимость. Сферы применения проводников. Диэлектрики и их применение. Физико-химическим свойства проводника и диэлектрика....
28 08 2026 9:14:54
Изготовление токопроводящих клеев контактолов в домашних условиях. Состав вещества, доля серебра в контактоле. Серебро или графит. Определение токопроводности клея. Магазинный токопроводящий клей....
27 08 2026 23:50:28
Разновидности токоизмерительных клещей, выбор инструмента, измерение в цепях постоянного тока. Как пользоваться токоизмерительными клещами. Токоизмерительные клещи с мультиметром....
26 08 2026 18:15:59
Разница между контактором и пускателем. Виды магнитных пускателей: классификация приборов по способу размещения и защищённости от вредных воздействий. Схема подключения электромагнитного контактора....
25 08 2026 16:41:27
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
