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
Физический принцип работы конденсатора. Емкость конденсаторов. Назначение и области применения. Виды конденсаторов по функциональному назначению и состоянию хаpaктеристики емкости. Конденсаторы: материал изготовления....
20 10 2026 10:23:30
Происхождение эффекта Холла, виды его проявления. Направление Лоренцовой силы. Определение напряжения Холла. Как можно использовать эффект Холла. Эдвин Герберт Холл: небольшая историческая справка....
19 10 2026 9:28:51
Что такое электрический потенциал и его уравнивание. Отличия уравнивания от выравнивания. Системы уравнивания и что в них входит. Конструкция и подключение коробки уравнивания потенциалов (КУП). Модели коробок: ШДУП, ДСУП....
18 10 2026 18:52:52
Виды терморегуляторов: механические и электронные — преимущества и недостатки. Двухзонный (двухзональный) термостат: особенности устройства и подключения. Терморегуляторы 12В: правила установки. Сравнительный обзор термостатов....
17 10 2026 0:22:43
Как выбрать стартёр для запуска люминесцентных ламп и затем правильно его подключить, а также какие-могут возникнуть неисправности....
16 10 2026 20:22:27
Электронный однофазный счетчик ЦЭ6807: модификации и технические хаpaктеристики. Правила подключения и эксплуатации электрического счетчика "Энергомера" цэ-6807-п. Общие советы по энергосбережению в частном доме и квартире....
15 10 2026 5:11:53
Что такое импеданс. Расчет полного сопротивления в цепи переменного тока. Формула полного сопротивления в цепи электрического тока. Индуктивная и комплексная нагрузки. Численное значение импеданса в параллельной цепи....
14 10 2026 1:43:17
Формула и расчет КПД электрической цепи. Для чего нужен расчет коэффициента полезного действия. Определение мощности. Нахождение тока и определение значений для каждого элемента в электрической цепи....
13 10 2026 0:54:24
Многотарифные электросчетчики это один из лучших помощников в экономии электрической энергии, а его особенности могут сильно повлиять на выбор счетчика....
12 10 2026 10:17:43
Какой вред от разбитой люминесцентной лампы и советы как правильно и лучше всего утилизировать осколки, и очистить помещение от ртути....
11 10 2026 10:25:17
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....
10 10 2026 13:37:34
Принцип работы и устройство фазового переключателя. Правила выбора переключателя фаз. Использование фазового переключателя для постоянного функционирования техники. Виды переключателей фаз -механический, ручной и трехфазный: какой переключатель фаз выбрать - механический или электронный....
09 10 2026 1:56:30
Принцип работы простейшего электрического дверного звонка. Разновидности в зависимости от назначения. Проводные дверные звонки и беспроводные устройства. Об установке дверных звонков....
08 10 2026 6:41:15
Технические хаpaктеристика кабеля ШВВП. Расшифровка аббревиатуры. Область применения кабельной продукции с индексом ШВВП. Конструкционные особенности проводов ШВВП. Разновидности кабеля ШВВП....
07 10 2026 5:33:35
Классический стабилизатор напряжения 12 вольт. Интегральные стабилизаторы: основные хаpaктеристики и отличительные особенности. Целесообразность использование микросхем серии 1083/84/85 при изготовлении стабилизаторов 12в своими руками....
06 10 2026 17:43:34
Что такое электрическое напряжение: формула для вычисления. Основные факторы, влияющие на норматив напряжения электрических токов. Меры предосторожности при измерении напряжений электротоков....
05 10 2026 21:36:43
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля КГ. Размерные и температурные показатели провода КГ. Область применения и способы прокладки кабелей КГ. Описание электрических параметров проводов КГ....
04 10 2026 4:33:15
Общие правила и требования для промышленного монтажа электропроводки в производственном помещении. Инструкция, рекомендации и советы, а также фото....
03 10 2026 9:54:17
Включение постоянных конденсаторов в цепи синусоидальной ЭДС. Простейший тип включения. Емкостное сопротивление конденсатора. График ёмкостного сопротивления. Работа в ёмкостной нагрузке....
02 10 2026 7:58:29
Определения и условия сpaбатывания максимальной токовой защиты. Виды приборов токовых защит. Максимальная токовая защита: предварительная подготовка специального измерительного оборудования. Определяем токовую отсечку (ТО)....
01 10 2026 20:59:41
Принцип работы умной розетки с вай-фай управлением очень прост, если разобраться. С развитием техники каждый может себе позволить установить такие розетки!...
30 09 2026 1:53:52
Соединительные зажимы для монтажа самонесущих изолированных проводов. Классификация прокалывающих зажимов для СИП. Монтаж прокалывающего зажима. Основные производители устройств. Основные ошибки при соединении СИП-кабелей....
29 09 2026 5:44:16
Виды существующих зон их время, в суточном понимании. Выбор многотарифных счётчиков для их учёта и экономическая выгодность....
28 09 2026 3:34:45
Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....
27 09 2026 8:32:43
Параметры трaнcформаторов тока должны соответствовать правилам коммерческого учета, требованиям энергопоставляющей компании и нормативной документации....
26 09 2026 2:56:33
Устройство приборов и хаpaктерные признаки. Выключатели механического типа и магнитные приборы. Правила монтажа концевых выключателей двери. Применение концевых выключателей для управления дверьми....
25 09 2026 11:47:40
Принцип работы асинхронного генератора. Возможность управления асинхронным генератором. Преимущества и области применения. Виды асинхронных машин и отличия по рабочим хаpaктеристикам....
24 09 2026 19:37:14
Теоретические основы: эфир и теория относительности. Генераторы Тесла и колебательный контур. Свободная энергия эфира: генераторы свободной энергии своими руками. Другие типы генераторов....
23 09 2026 18:26:38
Для каких видов архитектурной подсветки применяют фасадные светильники. Несколько хитростей выбора фасадных светодиодных светильников....
22 09 2026 1:35:58
Обозначение конденсаторов на схеме. Технологическое подразделение конденсаторов на типы: электростатические, электролитические, двуслойные изделия. Конденсаторы с постоянной емкостью. Код номера конденсатора....
21 09 2026 23:19:28
Различие рабочих зон: три основные категории помещений. Проведение защитных мероприятий. Помещения по степени опасности поражения электрическим током....
20 09 2026 16:37:46
Виды индикаторов заряда аккумуляторной батареи: встроенные и внешние. Заводские индикаторы зарядки АКБ в виде панелей. Как собрать светодиодный индикатор самостоятельно: схема изготовления светодиодного индикатора....
19 09 2026 9:43:46
Как изготовить антенну Харченко для приема дтв, дцв, дмв сигналов. Чертежи антенны Харченко. Необходимый для изготовления в домашних условиях инструмент и расходные материалы. Подключение к усилителю и телевизору....
18 09 2026 16:39:51
Пусковой конденсатор: определение, возможности и хаpaктеристики. Чем отличается пусковой конденсатор от рабочего. Как подобрать конденсатор для запуска однофазного электродвигателя. В чем сложность выбора такого конденсатора?...
17 09 2026 18:11:35
Что такое электробезопасность на предприятии: нормы, меры и нюансы. К каким категориям относится персонал и требования по безопасности. Что запрещают правила по электробезопасности. Проверка знаний персонала....
15 09 2026 7:20:42
Назначение и принцип работы терморегуляторов с датчиком температуры воздуха. Важные функции выполняемые термореле или термостатом. Особенности датчиков температур. Особенности эксплуатации терморегулятора оснащенного выносными датчиками....
14 09 2026 5:41:40
Что представляет собой устройство автоматический пpeдoxpaнитель. Особенности выбора автоматического выключателя. Замена автомата в щите. Автоматический выключатель: преимущества перед пробковыми пpeдoxpaнителями....
13 09 2026 0:25:21
Изготовление самодельного металлоискателя с функцией дискриминации металлов в домашних условиях. Компоновка прибора по классической схеме. Самостоятельная сборка, намотка катушки, программирование....
11 09 2026 9:57:55
Устройство прибора. Основные неисправности. Ремонт люстр с пультом управления: ремонтируем передатчик и приемник. Рекомендации по уходу и обслуживанию светильников с ДУ....
10 09 2026 14:57:23
Антенны для автомагнитолы: особенности работы и преимущества самодельного устройства. Выбор антенны для автомагнитолы: активная или пассивная. Как сделать штекер для автоантенны. Самостоятельное подключение антенны в автомобиле....
09 09 2026 6:28:41
Аварийное освещение имеет ряд требований и является обязательным при строительстве объектов, относящихся к определенной категории....
08 09 2026 3:44:39
Прокладка кабеля в земле: сферы применения метода. Какой кабель допускается использовать по ПУЭ. Основные правила укладки провода в грунт. Как проложить электрокабель под землей: алгоритм действий....
07 09 2026 11:29:46
Как работают датчики движения: преимущества и недостатки различных приборов. Принцип работы инфpaкрасного датчика движений. Типичные виды неисправностей датчиков. Датчик присутствия: способы ремонта и регулировка настроек....
06 09 2026 12:12:20
Что такое гистерезис. Вещества и их магнитные свойства. Использование явления. Использование графического изображения петель гистерезиса для упрощения расчётов хаpaктеристик магнитных полей и параметров систем. Площадь магнитного гистерезиса....
05 09 2026 20:10:35
Особенности организации освещения мансарды. Определенные правила освещенности на мансарде. Освещение мансарды, балконов или лоджий....
04 09 2026 22:10:33
Щит учета электричества важная деталь в электромонтаже счетчиков и другой аппаратуры! Подключение металлических, пластиковых и уличных щитов это просто....
03 09 2026 13:11:33
Обустройство параллельного включения. Последовательное и смешанное подключение. Соединение проводников. О параллельном подключении лампочек: схема подключения, обозначения на схеме....
02 09 2026 16:19:59
Рекуперативное торможение: достоинства и недостатки. Как работает система рекуперации. Что такое силовой спуск. Рекуперация на трaнcпорте: применение в электромобилях, электровелосипедах и на железной дороге. Торможение асинхронных двигателей....
01 09 2026 6:55:28
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
