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
Что такое конденсатор и для чего он нужен. Технические хаpaктеристики емкостных накопителей энергии. Зачем нужны электролитические конденсаторы в сети переменного тока. Зачем нужны конденсаторы в схемах и от чего зависит емкость конденсатора....
18 06 2026 23:52:48
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....
17 06 2026 14:30:32
Описана установка алюминиевого профиля для светодиодной ленты, а также рассказано какие бывают виды профиля для светодиодов....
16 06 2026 18:48:15
Изготовление самодельного металлоискателя с функцией дискриминации металлов в домашних условиях. Компоновка прибора по классической схеме. Самостоятельная сборка, намотка катушки, программирование....
15 06 2026 12:10:45
Проблемы в электропроводке. Неисправности люстр и светильников. Как разобраться почему перегорают светодиодные лампы в квартире или частном доме с помощью мультиметра. Симптомы неисправности и системные решения....
14 06 2026 22:16:58
Где применяются правила ТБ. Требования электробезопасности при обслуживании установки. Техника безопасности при работах на действующих электроагрегатах. Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок....
13 06 2026 17:54:39
Линии электропередач их технические хаpaктеристики и разновидности. Воздушные и кабельные ЛЭП. Типы линий электропередачи в зависимости от мощности тока и напряжения. Что такое охранная зона ВЛ....
12 06 2026 0:50:42
Особенности конструкции энергосберегающих ламп. Достоинства и недостатки энергосберегающей лампы. Таблица мощности и классификация энергосберегающих источников освещения. Как выбрать устройство для освещения....
11 06 2026 15:29:10
Закон Ома для полной замкнутой цепи. Принцип пропорциональности. Особенности сопротивлений в источниках питания. Как вычислить сопротивление ЭДС. Что такое теория электро- радиотехнических цепей....
10 06 2026 15:45:10
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля АВВГ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. АВВГ-кабель: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок....
09 06 2026 1:37:33
Розетка на 380 вольт служит для подключения мощных электроприборов. Мы расскажем все о классификации и монтаже данной розетки....
08 06 2026 1:33:11
Снятие показаний со счетчиков индукционного типа и электронных электросчетчиков. Как снять показания счетчика электроэнергии Меркурий. Сколько цифр списывается с табло индукционных аппаратов. Учёт электроэнергии в цепях трёхфазного тока....
06 06 2026 10:15:31
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.)...
05 06 2026 12:30:35
Проект освещения должен выполняться специалистами. Выполняя такое проектирование самостоятельно, необходимо знание определенных норм и правил....
04 06 2026 20:42:32
Индукционный счетчик это устройство для контроля потрeбления электроэнергии, мы расскажем о принципе его работы и основных плюсах и недостатках....
03 06 2026 15:23:51
Коаксиальный провод и его устройство: общая структура коаксиального кабеля. Виды и сферы применения коаксиальных проводов. Все о коаксиальных кабелях: технические хаpaктеристики телевизионного кабеля....
02 06 2026 0:43:16
Назначение мини электродрели и область применения прибора. Варианты патронов для маленькой дрели. Изготовление минидрели своими руками в домашних условиях. Основные части устройства. Элементы питания для маленьких электродрелей....
01 06 2026 4:24:55
Особенности датчиков движения. Как правильно подключить датчик. Как правильно установить приборы: что нужно учесть при монтаже датчика с прожектором. Регулировка датчиков движения в зависимости от освещения....
31 05 2026 23:17:58
Почему выгодна разделка кабелей и проводов. Виды оборудования: от простых устройств к универсальным стpиппepам. Порядок изготовления самодельного стpиппepа. Чертежи станка для разделки кабеля своими руками....
30 05 2026 8:25:11
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....
29 05 2026 4:57:42
Определение магнитной (диамагнитной) левитации. Магнитная левитация: эксперименты в домашних условиях. Как сделать левитирующий магнит своими руками. Применение магнитов в подшипниках. Как используют магнитную левитацию в ветрогенераторах....
28 05 2026 12:21:31
Устройство и разновидности проходных выключателей. Схемы подключения проходного выключателя в квартире и загородном доме. Проходной выключатель: монтаж своими силами....
27 05 2026 19:17:17
Отличие батарейки от аккумуляторной системы. Рекомендации для определения аккумулятора от обычной батарейки. Аккумулятор и батарейка: хаpaктеристики и маркировка....
26 05 2026 12:48:24
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....
25 05 2026 1:32:44
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
24 05 2026 17:55:30
Общее описание прибора учета электроэнергии Меркурий 201. Правила (схема) подключения и технические хаpaктеристики однофазного счетчика Меркурий-201. Преимущества использования в быту и на производстве....
23 05 2026 10:20:11
Признаки повреждения резисторов. Проверка сопротивления мультиметром. Порядок проверки «подозрительного» резистора. Переменный резистор: правила проверки (прозвона). Измеряем позистор. Мультиметр: правила эксплуатации....
22 05 2026 7:36:27
Для чего используются наружные антенны для 3G модема. Как сделать направленную 3G антенну для беспроводного USB модема своими руками. Распайка кабеля 3 джи антенны. Устройство и оптимальные габариты антенн....
20 05 2026 9:26:50
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....
19 05 2026 12:56:17
Принцип работы электрического дросселя ДНАТ. Что такое дросселирование. Устройство катушки индуктивности. Количество обмоток магнитных усилителей. Ток и напряжение. Маркировка дросселей в электронике....
18 05 2026 1:33:31
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....
17 05 2026 4:41:52
Функциональное использование магнитного пускателя ПМ-12. Хаpaктеристики и основные технические значения пускателей ПМ12. Принцип работы и комплектность. Монтаж и отличие от контакторов....
16 05 2026 3:16:24
Монтаж источников света может выполняться квалифицированным электриком, а может и без него, главное знать основные нюансы подключения светильников....
15 05 2026 2:48:50
Виды знаков и плакатов по электробезопасности по ГОСТ. Запрещающие, предупреждающие и указательные плакаты. Классификация плакатов и знаков по электрической безопасности....
14 05 2026 7:34:31
Как подключить вольтметр? Как пользоваться амперметром? Принцип действия электроизмерительных приборов с примерами, и советами....
13 05 2026 5:22:15
Конструкция провода ПНСВ. Хаpaктеристики кабеля. Технология монтажа ПНСВ-кабеля. Расшифровка маркировки, технические хаpaктеристики проводов. Области применения кабелей ПНСВ. Как подключить и проложить провод....
12 05 2026 4:34:36
Значение маркировки кабеля. Технические хаpaктеристики и особенности провода РКГМ. Термостойкий провод РКГМ: преимущество проводника. Разновидности РКГМ-кабеля. Класс кабеля-РКГМ и его отличительные свойства в зависимости от количества токопроводящих жил....
11 05 2026 6:24:50
Как правильно выбрать, произвести монтаж и подключить трехфазный счетчик электроэнергии в домашних условиях без помощи электрика....
10 05 2026 16:54:21
Разновидности изолент: лента изоляционная ХБ или тряпочная, ПВХ рулонная изолента. Из чего изготавливают изоляционную ленту. Сферы применения изоленты. Термоусадочная лента. Варианты клеевых покрытий. Преимущества изолент....
09 05 2026 2:52:49
Механизм образования газа. Сырье для биогаза. Биогаз: технология получения, преимущества и недостатки. Конструкция биогазовой установки для частного или фермерского хозяйства....
08 05 2026 18:42:56
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы V по электробезопасности...
07 05 2026 15:29:32
Требования шуруповертов к источнику питания. Схемотехническое и конструктивное исполнение самодельных БП для шуруповертов. Изготовление блок питания для шуруповерта 12в своими руками: использование блока питания компьютера....
06 05 2026 17:47:43
Установка розеток с заземлением это легко, но нужно знать основные принципы и особенности таких розеток, все это вы найдете...
05 05 2026 12:49:11
Для чего нужны выпрямители переменного тока. Область применения выпрямителей переменных токов. Классификация: по числу фаз, по управляемости, по значению мощности. Выпрямляем переменный ток в постоянный: полуволновой или полноволновой метод....
04 05 2026 5:39:21
Устройство и принцип работы ДД 024. Эксплуатационные и технические параметры инфpaкрасного датчика движения ДД024. Монтаж и схема подключения ДД-024. Настройка датчика движений по трем параметрам....
03 05 2026 0:22:23
Что такое SPLAN: назначение программы. Платные и бесплатные версии Сплана. Splan библиотеки: как пользоваться. Функции настройки библиотек в программе СПЛАН. Создание новой библиотеки....
02 05 2026 9:57:34
Назначение металлоискателя Терминатор 3. Изготовление и настройка прибора металлоискатель Терминатор-3 своими руками. Преимущества и недостатки устройства. Область применения металлоискателей Терминатор3....
01 05 2026 2:44:56
Нормы освещения производственных помещений должно повышать качество труда, снижать утомляемость, не допускать травматизма....
30 04 2026 4:27:39
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
