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
Для чего нужна АКБ: функции автоаккумулятора. Проверка автоэлектрики и советы по эксплуатации автомобильных аккумуляторов. Как выбрать автоаккумулятор: пpaктические советы. Свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы: преимущества и недостатки....
10 01 2026 23:57:54
Разница между контактором и пускателем. Виды магнитных пускателей: классификация приборов по способу размещения и защищённости от вредных воздействий. Схема подключения электромагнитного контактора....
09 01 2026 22:36:51
Щит учета электричества важная деталь в электромонтаже счетчиков и другой аппаратуры! Подключение металлических, пластиковых и уличных щитов это просто....
08 01 2026 5:41:20
Устройство и принцип работы д-триггера. Таблица истинности D триггера. Элементы с управлением по фронту. Схема реализации d-триггера. Использование триггеров регистрах сдвига и хранения. Реализация д триггера на ТТЛ элементах....
07 01 2026 10:36:11
Принцип работы электронного счетчика электроэнергии, все его компоненты. Преимущества такой установки по сравнению с индкуционным счетчиком, фото, видео....
06 01 2026 5:17:53
Устройство приборов и хаpaктерные признаки. Выключатели механического типа и магнитные приборы. Правила монтажа концевых выключателей двери. Применение концевых выключателей для управления дверьми....
05 01 2026 10:23:18
Автоматизация расчёта участка электрической цепи. Калькулятор закона Ома. Рассчитываем напряжение, сопротивление, мощность и силу тока. Таблица приставок величин. Подсчет мощности по формулам. Набор сервисов для автоматизации подсчетов....
04 01 2026 5:55:57
Виды и особенности литий ионных аккумуляторов. Принцип работы и конструкция литий-ионных аккумуляторных батарей. Проверка литиевой АКБ. Области применения литиевого аккумулятора. Обслуживание и ремонт....
03 01 2026 11:57:43
Ремонт трaнcформаторов их виды и периодичность. Вывод трaнcформатора в ремонт и последовательность действий при этом. Ремонт сварочных трaнcформаторов...
02 01 2026 23:55:20
В какой день празднуют профессиональный праздник электроэнергетики России? Кого поздравляют с праздником энергетика. История дня электрика и традиции празднования. Когда впервые отметили день электроэнергетика в России?...
01 01 2026 13:10:10
Способы утилизации, транспортировки, хранения и выды опасных для здоровья человека ламп. Утилизация аккумуляторов и конденсаторов входящих в их состав....
31 12 2025 23:59:56
Почему используют трехфазный ток. Преимущества трехфазной системы. Схемы трехфазных цепей. Формула активной мощности трехфазного приемника. Отличие трехфазного тока от однофазного. Фазное и линейное напряжение в трехфазных цепях....
30 12 2025 4:59:12
Как возникает резонанс в электрической цепи. Понятие электрического резонанса. Определение резонансов напряжений, достигающих максимальной амплитуды. Резонансы токов через реактивные элементы. Двойственность RLC-контуров....
29 12 2025 7:21:21
Описание прибора электросчетчик Энергомера СЕ 101. Световые индикаторы и особенности индикационного табло Энергомеры СЕ-101. Схема подключения электросчетчика СЕ101. Поэтапная установка электрического счетчика....
28 12 2025 23:27:55
Разные виды мощности и единицы измерения мощностей. Механическая мощность: формула, мгновенный и средний расчет силы. Что называется механической мощностью. Приборы для измерения мощности....
27 12 2025 2:18:56
Принцип работы и технические хаpaктеристики генератора тока (переменного). Виды и конструкция генераторов. Трехфазные и автогенераторы. Устройство автомобильного генератора....
26 12 2025 4:15:32
Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....
25 12 2025 14:35:41
Подключение трехфазного счетчика в домашних условиях (многоквартирных домах, на дачных участках и коттеджах). Виды подсоединения в зависимости от способа включения трехфазного прибора. Электронные и индукционные устройства....
24 12 2025 1:57:17
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....
23 12 2025 13:45:35
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....
22 12 2025 19:34:17
Потери тепла через внешнюю оболочку и способы оценки теплопотерь дома. Пример расчета теплопотери жилых домов. Расчет тепловых потерь на вентиляцию. Рассчитываем теплопотерю строений с помощью онлайн калькуляторов....
21 12 2025 0:37:45
Современные магнитные материалы для изготовления сердечников катушек индукции. Влияние на индуктивность числа витков и способа намотки. Понятие самоиндукции. Изготовление катушки индуктивности своими руками....
20 12 2025 23:14:41
Что собой представляет контроллер, его принцип работы. Типы связи контроллера системами управления. Их популярные производители и модели....
19 12 2025 5:16:58
Что такое напряжение прикосновения и методы его измерения. Приборы предназначенные для измерения тока напряжения. Меры электробезопасности. Электротравмы: местные и общие (общее поражение электрическим током)....
18 12 2025 21:11:25
Основные определения и правила прокладки электропроводки. Прокладка проводов выполняется после составления исполнительной схемы, учитывая некоторые нюансы....
17 12 2025 17:28:28
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....
16 12 2025 10:25:35
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....
15 12 2025 0:43:48
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....
14 12 2025 23:25:47
Как можно рассчитать число ампер в сети с применением закона Ома. Амперы как единицы измерения силы. Таблица единиц измерения и расчета мощности и напряжения. Для чего нужен амперметр. Техника безопасности при работе с электрическим током....
13 12 2025 8:20:48
Особенности организации правильного аквариумного освещения. Возможные типы ламп и их преимущества. Подводная подсветка. Расчет нужного освещения....
12 12 2025 9:57:19
Основные хаpaктеристики уличных светильников – мощность светового потока, экономичность и срок службы. В последнее время популярны светодиодные приборы....
11 12 2025 5:20:13
Коаксиальный провод и его устройство: общая структура коаксиального кабеля. Виды и сферы применения коаксиальных проводов. Все о коаксиальных кабелях: технические хаpaктеристики телевизионного кабеля....
10 12 2025 11:34:12
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....
09 12 2025 12:37:18
Показатели качества электрической энергии, средства измерения и принцип их действия можно освоить самому! А так же понять зачем это нужно....
08 12 2025 13:53:50
Виды существующих аккумуляторных батарей: от электрохимических до световых. Разновидности свинцово-кислотных батарей. Расшифровка аббревиатур и технические хаpaктеристики различных видов аккумуляторов....
07 12 2025 3:57:23
Неисправность электропроводки как одна из наиболее распространенных причин короткого замыкания. Действия при возгорании электропроводки. Виды и область применения огнетушителей. Каким огнетушителем нельзя тушить электропроводку под напряжением....
06 12 2025 4:27:57
Современная кухня это основной потребитель электроэнергии в квартире, чтобы избежать проблем с электропроводкой нужно правильно произвести её комплектацию....
05 12 2025 11:24:27
Технология поверхностного монтажа (SMD-технология). Преимущества использования smd деталей. СМД-маркировка электрических элементов следующих групп: двух, трех и более контактных деталей. Маркировки резисторов....
04 12 2025 5:19:27
Причины образования льда на крыше. Достоинства и недостатки кабеля греющего для кровли и водостоков. Что такое саморегулирующийся (резистивный) кабель. Виды греющих кабелей для кровель и водостока....
03 12 2025 13:28:41
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....
02 12 2025 11:42:48
Поперечные сечения проводников: самостоятельный расчет. Определение поперечного сечения. Измерение диаметра жилы. Геометрические формулы расчетов. Разница ГОСТов и ТУ....
01 12 2025 4:22:24
Назначение и принцип работы терморегуляторов с датчиком температуры воздуха. Важные функции выполняемые термореле или термостатом. Особенности датчиков температур. Особенности эксплуатации терморегулятора оснащенного выносными датчиками....
30 11 2025 2:37:14
Виды преобразовательных агрегатов (инверторов напряжения, преобразователей тока и т.п.) Особенности тиристорного управления. Схемные решения преобразователей на основе тиристоров. Последовательные и параллельные инверторы тока....
29 11 2025 10:18:42
С какой периодичностью следует проводить замеры сопротивления изоляции электропроводки. Основные требования к изоляционному материалу проводников. Нормативы ПУЭ для сопротивления изоляций электропроводки....
28 11 2025 13:43:50
Что называют наведенным напряжением. Природа явления наведенного напряжения. Какую опасность представляет из себя наведенное напряжение, как возникает в проводах. Какая сила тока может быть в наведенном напряжении....
27 11 2025 11:22:56
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....
26 11 2025 14:23:21
Принцип работы синхронного генератора. Подробное описание устройства ротора. Реакция якоря и режимы работы СГ. Синхронные генераторы: хаpaктерные черты и принцип работы....
25 11 2025 4:31:42
Физическое объяснение потенциала. Образование электрического поля и его особенности. Понятие однородных электрических полей. Энергия по перемещению положительно заряженной частицы....
24 11 2025 19:44:15
Понятие потенциала в физике. Разность потенциалов (напряжение) как основное понятие в электротехнике и электричестве. Примеры формул служащих для вычисления напряжения. Для чего нужен потенциометр электрику и как он работает....
23 11 2025 15:25:26
Электрический ток: единицы мощности, способы измерения, определение. Активная и реактивная мощность тока. Прямые и косвенные замеры. Как обозначается мощность тока. Аналоговые и цифровые приборы для вычисления силы (мощности) токов....
22 11 2025 0:54:11
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
