Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты > Флэтора
Золотая квартира    

Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты

Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты

cdcaed2a

Содержание

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 эксперимента

Если 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 поля

Для 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 зависимостей

На 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 клещи

В 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 тока

Так 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 автомобиля

В 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 клещи

После подключения через усилитель к мультиметру можно измерять ток в проводниках без разрыва цепей.

Видео




Технические хаpaктеристика и расшифровка обозначений кабеля АСБЛ

Расшифровка маркировки кабеля АСБЛ. Область применения и особенности эксплуатации кабеля. Конструкция и технические хаpaктеристики провода АСБЛ. Монтажные работы и обозначение в нормативных документах....

26 01 2022 11:11:27

Выключатель дистанционный с пультом: выбор, подключение

При обустройстве жилья это направление особенно популярно...

25 01 2022 0:24:51

Расшифровка маркировки трaнcформатора (ТМГ, ТЗЛМ, ОСМ, ТСМ)

Tрaнcформаторы, самые часто применяемые и используемые в быту, а также на производстве электрические аппараты. Они бывают разных типов и назначений....

24 01 2022 20:14:20

Применение термоусадочного кембрика для проводов: что это такое и способ установки

Применение термоусадочного кембрика в электронике и электротехнике. Значение диаметра и коэффициента усадки. Устойчивость термокембрика к агрессивному воздействию. Термоусадочный кембрик: материалы изготовления и расшифровка по цвету....

23 01 2022 12:37:53

Хаpaктеристики и монтаж уличных прожекторов с датчиком движения

Сфера применения прожекторов с датчиками движения для уличного освещения. Принцип работы устройств. Достоинства и недостатки прожектора с датчиком движения для улицы. Настройка и подключение прожектора....

22 01 2022 23:30:10

Расшифровка обозначений и технические хаpaктеристики кабеля ААШВ

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....

21 01 2022 23:50:46

Суперконденсаторы: конденсатор большой емкости вместо аккумулятора

Суперконденсатор как устройство для накопления электрической энергии. Особенности конструкции и производители суперконденсаторов. Виды суперэлектролитов. Области применения. Достоинства и недостатки конденсаторных изделий....

20 01 2022 22:51:55

О термоэлектрическом генераторе: изготовление термоэлектрогенератора своими руками

Определение и физическое объяснение эффекта Пельтье. Особенности функционирования, принцип действия и конструкция термоэлектрического генератора. Достоинства и недостатки ТЭМ. Самостоятельное изготовление термоэлектрогенератора своими руками....

19 01 2022 18:15:50

Симисторные стабилизаторы напряжения: технические хаpaктеристики, плюсы и минусы

Принципиальна схема симисторного однофазного стабилизатора. Достоинства и недостатки современных стабилизаторов на симисторных элементах. Симисторный стабилизатор 12 вольт: схема сборки своими руками....

18 01 2022 11:39:19

Электрические станции и сети: правила технической эксплуатации

Организационные вопросы, которым придается большое значение при эксплуатации и обслуживании электроустановок в рамках ПТЭ. Сдача энергетических объектов в эксплуатацию. Электрические станции и сети: правила технической эксплуатации....

17 01 2022 7:21:43

Виды клеммников и клеммных колодок для DIN рейки: маркировка и пломбировка клемм

Что такое дин-рейка. Клеммы (клемники) и клеммные колодки для DIN реек. Какими бывают клеммные зажимы: проходной с зажимом пружиной, клеммы с размыкающим приспособлением и пр....

16 01 2022 12:21:17

Гальванические цинкование и серебрение: электрохимическая гальванопластика своими руками

Что такое гальваника. Гальванопластика в домашних условия. Необходимое оборудование для занятий гальванопластикой. Изготовление электролита и особенности цинкования металлов. Особенности гальванического серебрения. Прибор для гальваники в домашних условиях....

15 01 2022 0:14:41

Стабилизатор напряжения TL431: микросхема, параметры и хаpaктеристики микросхемы

Эксплуатационные хаpaктеристики и преимущества TL431. Виды цоколевки микросхемы и особенности распиновки в зависимости от исполнения. Схема включения TL-431, формулы для расчетов. Применение TL 431 в виде стабилизатора тока....

14 01 2022 1:46:51

Понятие и разновидности роторов: обмотка и частота вращения ротора и статора

Определение ротора и статора. Виды электромеханических устройств: асинхронные двигатели с короткозамкнутым или фазным ротором. Типы роторов: фазный и короткозамкнутый ротор....

13 01 2022 17:32:51

Определение полезной мощности источника тока физической формулой

Полезная мощность: какую энергию называют полезной, по какой формуле она высчитывается. Потери внутри источника питания и внутреннее сопротивление. Энергия Р и КПД. Коэффициент полезного действия нагрузки. Измерение мощности источника тока....

12 01 2022 16:53:53

О металлической гофре для проводки: правила монтажа электропроводки в металлогофру

Разновидности и хаpaктеристики металлических гофрированных труб. Металлическая гофра для проводки: преимущества и недостатки. Сфера применения металлического рукава. Особенности монтажа и эксплуатации....

11 01 2022 22:46:54

Прокладка кабеля в земле: план проведения работ, выбор проводника

Прокладка кабеля под землей начинается с изучения норм прокладки КЛ и выбора проводника, далее составляем план работ и можно начинать!...

10 01 2022 0:14:17

Душ с подсветкой: классификация, выбор

Данная подсветка душа рассматривается многими людьми как вещь совершенно ненужная, но помимо эстетичного вида она имеет ещё определённую полезность....

09 01 2022 12:45:34

Термопара для мультиметров своими руками: разновидности и ремонт крокодилов

Щупы (крокодилы) для мультиметра. Разновидности щупов по качеству: любительские и профессиональные. Виды по назначению. Изделия для SMD-монтажа. Изготовление самодельных термопар своими руками из подручных материалов....

08 01 2022 3:32:32

Как перевести вольтамперы в ватты — калькулятор вычисления мощности

Формулы для перевода вольтамперов в ватты. Напряжение умножаемое на ток - мощность. Понятие активной, реактивной и полой силы. Отличие ватта от вара и вольт ампера. Определение мощности в электричестве....

07 01 2022 18:41:27

Электрическая цепь: правила расчета для определения силы тока

Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....

06 01 2022 3:12:35

Натриевая лампа - классификация и преимущества

Натриевая лампа, ее преимущества, в каких сферах применяются, недостатки натриевых ламп. Правила безопасности с такими лампами....

05 01 2022 10:19:16

Формулировка и физический смысл закона утечки энергии в пределах замкнутой цепи

Законы Кирхгофа и термины, введённые в правила электротехники: ветвь, узел, контур. Отличие первого и второго закона Кирхгофа, значение этих законов для мировой науки. Методы расчетов по первому и второму законам Кирхгофа....

04 01 2022 13:42:48

Технические хаpaктеристики и расшифровка ВВГ 2-кабелей

Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВВГ 2: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики кабелей ВВГ-2. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВВГ2....

03 01 2022 13:27:42

Работа с тестером напряжений: правила пользования, виды приборов

Для чего нужен тестер напряжения. Виды тестеров напряжений. Аналоговые мультиметры и цифровые тестировщики. LAN приборы. Общая методология исследований. Как правильно работать с тестером напряжения....

02 01 2022 15:53:16

Как выбрать счётчик электроэнергии: виды и особенности

Выбор счетчика электроэнергии очень важная часть электрификации своего дома, главное следовать нескольким простым советам, тогда все получится!...

01 01 2022 21:43:45

Расчёт резистора для светодиода и подключение

Для чего нужен ограничивающий резистор. Расчёт сопротивления резистора и его мощности. Шунтирование светодиодов резистором....

31 12 2021 5:35:18

Биксеноновые лампы: технические хаpaктеристики устройства, классификация

Принцип работы ксеноновых ламп. Главные свойства, применение, основные составляющие изделий. Маркировка и срок службы ламп под ксенон. Советы при выборе....

30 12 2021 17:37:21

Частотный преобразователь: конструкция, принцип действия

Виды частотных преобразователей. Области применения. Описание работы частотных электроприводов. Частотные преобразователи для асинхронного двигателя....

29 12 2021 22:13:25

Расшифровка степени (класса) защиты IPX-7: применение в технике

Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....

28 12 2021 1:48:47

Как обозначаются конденсаторы на схемах: основные параметры и емкость

Обозначение конденсаторов на схеме. Технологическое подразделение конденсаторов на типы: электростатические, электролитические, двуслойные изделия. Конденсаторы с постоянной емкостью. Код номера конденсатора....

27 12 2021 9:59:23

Как сделать внешнюю антенну для 4G модема: разновидности и хаpaктеристики

Для чего LTE модему нужна внешняя антенна 4G. Технические хаpaктеристики самодельных 4G антенн для мобильных модемов. Как сделать выносную 4G своими руками: схема и инструменты....

26 12 2021 19:46:24

Самодельные датчики движения в домашних условиях: порядок изготовления, материалы и инструменты

Кольцевой выключатель: самый простой датчик движения. Световые датчики движения. Использование емкостных реле. Изготовление лазерных датчиков в домашних условиях. Платформы для конструирования самоделок....

25 12 2021 23:38:14

УЗИП (молниезащита) - принцип действия, классификация

Что это такое УЗИП (Устройство для защиты от импульсных перенапряжений) ? Активная молниезащита. Молниезащита зданий. Расчет молниезащиты....

24 12 2021 7:52:16

Стартёр для запуска люминесцентных ламп - выбор и запуск

Как выбрать стартёр для запуска люминесцентных ламп и затем правильно его подключить, а также какие-могут возникнуть неисправности....

23 12 2021 3:14:39

Бактерицидная лампа: классификация, выбор, применение

Бактерицидная лампа: классификация, выбор, применение Бактерицидные лампы – источники освещения, позволяющие очистить воздух помещения и воду от бактерий различного происхождения....

22 12 2021 21:31:41

О проколах для СИП: способ соединения самонесущих проводов прокалывающимися зажимами

Соединительные зажимы для монтажа самонесущих изолированных проводов. Классификация прокалывающих зажимов для СИП. Монтаж прокалывающего зажима. Основные производители устройств. Основные ошибки при соединении СИП-кабелей....

21 12 2021 14:58:59

Кабель для электроплиты: какой провод нужен для подключения плиты

Какого сечения нужен кабель для электроплиты при подключении. Какой кабель используется для подключения плиты в квартире....

20 12 2021 2:21:45

Импульсный источник питания (ИИП): принцип действия, устройство

Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....

19 12 2021 7:24:23

Технические хаpaктеристики и принцип работы регулируемых стабилизаторов напряжения

Технические хаpaктеристики и принцип работы трехвыводного управляемого стабилизатора напряжения. Варианты использования регулируемых стабилизаторов напряжений в электронных схемах. Управляемый стабилизатор: настройка и ремонт....

18 12 2021 16:13:25

О переделке шуруповертов на питание от сети 220в в домашних условиях своими руками

Устройство механизма шуруповерта и принцип действия прибора. Конструкция аккумулятора и типы аккумуляторных батарей. Переделка шуруповерта на питание от сети 220В. Использование внешнего блока питания....

17 12 2021 22:44:28

Указатели напряжений: однополюсные двухполисные, до 1000в и свыше

Назначение и виды указателей напряжений. Низковольтное и высоковольтное напряжение и приборы для их определения. Высоковольтные устройства и особенности их применения. Порядок работы с указателем высокого напряжения УВН 10. Указатели напряжения для проверки совпадения фаз....

16 12 2021 17:48:17

Светодиодные светильники для офиса потолочные: типы, приемущества

Светодиодные светильники потолочного типа встраиваемые, накладные и подвесные нашли применение для освещения площадей офисных помещений....

15 12 2021 13:46:49

Виды плакатов по электробезопасности по ГОСТу

Виды знаков и плакатов по электробезопасности по ГОСТ. Запрещающие, предупреждающие и указательные плакаты. Классификация плакатов и знаков по электрической безопасности....

14 12 2021 5:29:35

О нормативах по потрeблению электроэнергии на человека без счетчика

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....

13 12 2021 10:51:34

Виды гибких кабелей: одножильные и многожильные медные провода

Хаpaктеристики и разновидности гибкого кабеля: конструкции кабельной системы. Отличие одножильного от многожильного провода: преимущества и недостатки многожильных и одножильных кабельных систем....

12 12 2021 8:16:36

Инфpaкрасная лампа: область применения и преимущества

Инфpaкрасные лампы и светильники воспринимается в виде тепла, света и лечебного воздействия, что позволило применять такие изделия для различных целей....

11 12 2021 9:14:17

Технические хаpaктеристики и принцип работы магнитных пускателей

Целевое назначение магнитного пускателя. Конструкция и технические параметры различных магнитных пускателей. Магнитные пускатели: принцип работы и различные типы устройств. Монтаж и подключение электромагнитного пускателя....

10 12 2021 4:18:19

Механическая мощность: формула, мгновенный и средний расчет силы

Разные виды мощности и единицы измерения мощностей. Механическая мощность: формула, мгновенный и средний расчет силы. Что называется механической мощностью. Приборы для измерения мощности....

09 12 2021 22:17:59

О Николе Тесле: трaнcформатор Теслы, опыты Теслы

Историческая справка о Николе Тесле. Закон Теслы. Как собрать мини катушку Теслы своими руками. Единица измерения электромагнитной индукции - это тоже Тесла. Тайна Николы Теслы. Опыты и эксперименты....

08 12 2021 12:53:34

Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::