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
Назначение, принцип действия и конструктивные особенности измерительных трaнcформаторов тока, их выбор и испытание....
09 10 2026 0:28:38
Вольт-амперные хаpaктеристики и свойства полупроводников. Какие бывают ВАХи диодов. Методы измерений ВАХ полупроводникового диода. Что такое типовая вольт-амперная хаpaктеристика. Что такое стабилитрон и отличия его хаpaктеристик....
08 10 2026 15:43:33
Отличие батарейки от аккумуляторной системы. Рекомендации для определения аккумулятора от обычной батарейки. Аккумулятор и батарейка: хаpaктеристики и маркировка....
07 10 2026 10:29:48
Какой стабилизатор напряжения лучше: релейный или электромеханический? Релейные стабилизаторы: функционирование релейных систем, конструктивные особенности, достоинства и недостатки. Виды электромеханических стабилизаторов. Принцип регулировки и конструкция....
06 10 2026 0:40:44
Обоснование явления электромагнитной индукции Фарадеем. Направление действия магнитного поля и применение правила буравчика. Явление самоиндукции. Основные величины и наименования измеряемых единиц. Общая теория электромагнитных полей....
05 10 2026 22:42:34
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
04 10 2026 20:55:14
Что называется электролабораторией? Типы электрических испытаний. Правила получения свидетельства о регистрации электротехнических лабораторий в Ростехнадзоре. Виды испытательных и измерительных мероприятий проводимых электролабораториями. Передвижная электролаборатория....
03 10 2026 11:13:12
Принцип работы электрического дросселя ДНАТ. Что такое дросселирование. Устройство катушки индуктивности. Количество обмоток магнитных усилителей. Ток и напряжение. Маркировка дросселей в электронике....
02 10 2026 0:26:47
Химические особенности и физические свойства галогенов. Галогены и галогенный газ: особенности добычи и использования. Галогенные соединения и их роль в организме человека. Применение галогена в электротехнике....
01 10 2026 2:17:48
Как антенна усиливает сигнал. Виды WiFi антенн. Как устанавливается внешняя антенна для роутера. Как сделать антенну для роутера WiFi своими руками в домашних условиях. Что советуют специалисты: способы достижения наилучших результатов....
30 09 2026 4:54:33
Промышленные светильники индукционные, классификация, преимущества и недостатки . Основные части установки, рекомендации при выборе индукционной лампы....
29 09 2026 15:27:53
Технические и эксплуатационные хаpaктеристики гибкого силового кабеля из меди и бронированных проводов из алюминия. Монтаж бронированного алюминиевого провода под землей. Способы применения гибких силовых кабелей....
28 09 2026 12:14:12
Электротехнический плинтус предназначен для укладки электрических проводов, а также для осуществления подсветки в помещении и отопления выполняют важную роль....
27 09 2026 15:12:23
Закон Лжоуля-Ленца: физическая формула. Суть теплового закона, интегральная и дифференциальная формулы. Теоретическая значимость и пpaктическое применение. Джоуль Ленц - историческая справка....
26 09 2026 4:37:16
Сложности пайки и лужения алюминия в домашних условиях из-за хаpaктерного металлического налета. Виды высокотемпературного припоя и флюсовая компонента для спаивания алюминиевой проводки. Пайка алюминиевых соединений газовой горелкой....
25 09 2026 11:50:18
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....
24 09 2026 19:34:41
При выборе источника света для прожектора необходимо ориентироваться на способность длительно эксплуатироваться без проведения ремонтных работ....
23 09 2026 22:43:41
Применение и особенности эксплуатации российских стабилизаторов «Штиль». Преимущества стабилизатора ИнСтаб 3500. Стабилизаторы Штиль: модели и хаpaктеристики устройств, области применения....
22 09 2026 22:16:28
Электрический ток и электрическое напряжение в физике и электротехнике. Определение сопротивления и мощности. Взаимосвязь параметров электрической цепи и формула напряжения тока. Основные хаpaктеристики напряжения, электротока и сопротивления...
21 09 2026 4:21:23
Электрическая структура и схема диода. Классификация и маркировка диодов. Полупроводниковые диоды: преимущества непосредственного включения в схему. Выпрямительный полупроводниковый диод: принцип работы выпрямителя....
20 09 2026 23:43:47
Зачем нужно заземление. Как выглядит знак заземления, о чем он информирует. Знаки заземления на электрических схемах....
19 09 2026 14:34:32
Блокинг генератор: принцип работы устройства. Автоколебательный режим: сборка блокинг-генератора на усилительных элементах. Рабочий процесс рассматриваемого устройства....
18 09 2026 5:25:25
Основные электрические параметры диодов с барьером (переходом) Шоттки SS14. Способы монтажа, температура пайки и другие отличительные особенности диода SS 14. Подбор аналогов диоду SS-14....
17 09 2026 17:11:35
Формула для определения мощности. Измеряем мощность приборами: мультиметр, бытовой ваттметр, прочие электроприборы. Потрeбляемая электроэнергия и способы экономии. Как измерить потрeбляемую мощность электроприбора мультиметром....
16 09 2026 14:41:32
Особенности организации правильного аквариумного освещения. Возможные типы ламп и их преимущества. Подводная подсветка. Расчет нужного освещения....
15 09 2026 0:55:58
Виды преобразователей напряжения и свойства. Основные принципиальные схемы. Советы по выбору импульсных преобразователей и стабилизаторов....
14 09 2026 8:13:54
Провод ПВ 3 1х6: область применения монтажного кабеля. Технические хаpaктеристики провода ПВЗ 1Х6. Таблица основных параметров проводов ПВ-З. Маркировка и расшифровка аббревиатуры....
13 09 2026 18:22:49
Физическое объяснение потенциала. Образование электрического поля и его особенности. Понятие однородных электрических полей. Энергия по перемещению положительно заряженной частицы....
12 09 2026 10:52:12
Принцип работы и технические хаpaктеристики генератора тока (переменного). Виды и конструкция генераторов. Трехфазные и автогенераторы. Устройство автомобильного генератора....
11 09 2026 17:17:56
Основные виды применяемых при эксплуатации трaнcформаторов защит. Их принцип действия и выбор. Особенности защиты печных трaнcформаторов....
10 09 2026 19:15:36
Разновидность кабель каналов: цепеобразный, трубчатый (гофрированный), секционный. Различие гибких каналов для кабеля по способу укладки и типу. Сфера применения, требования пожарной и электробезопасности к гибкому каналу для кабелей....
09 09 2026 10:50:50
Маркировка корпуса электроприборов. Расшифровка: что обозначают первая и вторая цифры в маркировке IPXX. Таблица кодов защиты. Класс (степень) защиты IPX7. Тестирование электроизделий погружением....
08 09 2026 22:57:59
Закон Джоуля-Ленца и переход энергии в теплоту. Формула, отражающая тепловое действие электрического тока. Применение тепловых действий электротоков. Применение теплового свойства электротока в специальных печах для получения определенных веществ....
07 09 2026 2:19:20
Полная мощность и ее составляющие. Формула взаимосвязи между общей, активной и реактивной мощностью. Коэффициент мощности (косинус фи) на примере асинхронного двигателя и генератора. Мероприятия по увеличению коэффициента мощности....
06 09 2026 20:14:46
Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения. Определение напряжения шага. Причины возникновения, радиус распространения и сила тока. Меры защиты. Первая помощь при поражении шаговым напряжением. Как необходимо передвигаться в зоне шагового напряжения....
05 09 2026 9:41:16
Принцип работы электронного счетчика электроэнергии, все его компоненты. Преимущества такой установки по сравнению с индкуционным счетчиком, фото, видео....
04 09 2026 23:49:33
Структурная схема ИП. Выбор питаемого источника. Схема высокочастотного трaнcформатора....
03 09 2026 8:45:26
Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....
02 09 2026 18:53:33
Определение тока Фуко. История открытия. Варианты уменьшения силы вихревого потока. Применения токов Фуко. Вихревые потоки, возникающие под воздействием электромагнитной индукции в металлическом, а также любом другом проводнике....
01 09 2026 1:44:43
Принцип действия сенсорных выключателей, их применение и типы. Схемы на полупроводниковых приборах. Преимущество эксплуатации таких выключателей....
31 08 2026 13:12:26
Определение понятия энергии и напряженности электрического поля, формулы расчетов. Энергия конденсатора: основополагающие понятия емкости и напряжения. Как зарядить плоский конденсатор. Вычисление энергии заряженного конденсатора....
30 08 2026 14:56:33
Что собой представляет контроллер, его принцип работы. Типы связи контроллера системами управления. Их популярные производители и модели....
29 08 2026 12:50:44
Неоновая лампа – источник света, который применяют для подсветки помещений, создания рекламы, индикации вычислительной техники и т.д....
28 08 2026 21:41:38
Прокладка кабеля под землей начинается с изучения норм прокладки КЛ и выбора проводника, далее составляем план работ и можно начинать!...
27 08 2026 23:50:30
С развитием осветительной аппаратуры постоянно появляются новые дизайнерские решения: неоновая подсветка, светодиодная, люстры и точечные светильники....
26 08 2026 0:51:45
Устройство коаксиального кабеля: назначение и параметры основных составляющих, марки и хаpaктеристики. Коэффициент экранирования телевизионных кабелей. Какой кабель лучше выбрать для спутникового ТВ....
25 08 2026 8:23:49
Изготовление лабораторного блока питания своими руками. Простое устройство и регулируемые БП. Схема двухполярного блока. Советы по оформлению корпуса блоков питания....
24 08 2026 16:58:31
Инструментарий для работы с кабелем и коннекторами rj45. Ножничные и выдвижные кримперы. Кабельные стpиппepы. Тестеры rj45. Виды инструмента, правила пользования. Универсальный обжимной инструмент....
23 08 2026 3:14:19
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?...
22 08 2026 13:51:53
Выбирая светильники для кухни при декорировании, руководствуются правилами дизайна и принципами деления помещения на функциональные зоны....
21 08 2026 20:14:15
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
