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


Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов

Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов Как выглядит терморегулятор для инкубатора: общие сведения об устройстве. Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов своими руками. Принцип работы оборудования. Особенности сборки термостата....

28 02 2024 3:12:36

О ремонте люстры с пультом управления: как починить светильник с ДУ

О ремонте люстры с пультом управления: как починить светильник с ДУ Устройство прибора. Основные неисправности. Ремонт люстр с пультом управления: ремонтируем передатчик и приемник. Рекомендации по уходу и обслуживанию светильников с ДУ....

27 02 2024 14:10:58

Схема изготовления стабилизатора на 12в: линейный стабилизатор своими руками

Схема изготовления стабилизатора на 12в: линейный стабилизатор своими руками 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....

26 02 2024 20:12:24

Об основных мерах по защите от поражений электрическим током

Об основных мерах по защите от поражений электрическим током Требования и нормативы по основным мерам защиты от поражения электрическим током. Технические термины основных нормативных документов. Основные мероприятия по безопасности. Комплекс защитных мероприятий и индивидуальные средства защиты....

25 02 2024 2:31:29

Об автомате вводном: устройство выключателя для квартиры, схемы установки и подключения

Об автомате вводном: устройство выключателя для квартиры, схемы установки и подключения Основные хаpaктеристики автомата вводного. Однополюсники и двухполюсники: преимущества и недостатки. Об автомате вводном: устройство выключателя для квартиры, схемы установки и подключения....

24 02 2024 14:18:44

Подсветка потолка: как выбрать осточник освещения

Подсветка потолка: как выбрать осточник освещения Популярным элементом любого интерьера является грамотно выполненная подсветка потолка. Она придаст помещению любого назначения индивидуальность....

23 02 2024 13:15:43

Отличие ударных дрелей от перфораторов: что лучше, разновидности инструмента

Отличие ударных дрелей от перфораторов: что лучше, разновидности инструмента Ударная дрель или перфоратор? Какой инструмент подходит для тех или иных работ. Скорость крутящего момента разных приборов. Отличительные особенности дрели и перфоратора. Область применения. Варианты насадок....

22 02 2024 18:56:50

Логическая схема и принцип работы RS триггера: таблица истинности

Логическая схема и принцип работы RS триггера: таблица истинности RS, JK и PC триггеры: принципы работы. Классификация последовательных схем: синхронные, асинхронные и комбинированные. Представление работы триггеров в таблице истинности и временной диаграмме синхронизации....

21 02 2024 22:43:26

Об охране труда на производстве: электробезопасность как основа отсутствия травматизма

Об охране труда на производстве: электробезопасность как основа отсутствия травматизма Электробезопасность, как система мероприятий, правил и средств, призванная обеспечивать безопасность людей на производстве и в быту. Об охране труда на производстве: электробезопасность как основа отсутствия травматизма....

20 02 2024 18:44:21

Электрим (Москва): отзывы, телефон, услуги

Электрим (Москва): отзывы, телефон, услуги На сегодняшний день наши компании способны решать задачи пpaктически любого класса сложности в электрических сетях 0.4-20кВ....

19 02 2024 1:37:18

Обучение и тестирование по программе электробезопасности Olimpoks

Обучение и тестирование по программе электробезопасности Olimpoks Что собой представляет Олимпокс. Современные технологии оптимизирующие обучающую систему. Обучение и тестирование по программе электробезопасности Olimpoks на предприятиях без отрыва от производственной деятельности....

18 02 2024 3:35:38

Правила последовательного и параллельного подключения аккумуляторных батарей

Правила последовательного и параллельного подключения аккумуляторных батарей Последовательное соединение аккумуляторов: какие правила соблюдать при последовательной зарядке батарей. Параллельное соединение АКБ: принципы параллельного подключения. Проверка подключения. Советы по подключению аккумуляторной батареи....

17 02 2024 10:24:39

Какими огнетушителями нельзя тушить электропроводку под напряжением электротока

Какими огнетушителями нельзя тушить электропроводку под напряжением электротока 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....

16 02 2024 18:28:26

Изготовление mimo антенн 4g lte своими руками в домашних условиях

Изготовление mimo антенн 4g lte своими руками в домашних условиях Технологии приема и отправки информации в линиях беспроводной связи. Mimo антенна 4g lte своими руками или как изготовить антенну Харченко в домашних условиях. Сборка самодельной антенны для приема 4G....

15 02 2024 11:22:20

О периодичности проверок знаний по электробезопасности: сроки и порядок проведения

О периодичности проверок знаний по электробезопасности: сроки и порядок проведения Виды проверки знаний по электробезопасности на предприятиях. Группы электротехнического персонала. Что входит в тестирование и какие знания сотрудников проверяются. Сроки проведения проверки....

14 02 2024 4:39:58

Как проверить аккумулятор прибором мультиметр (вольтметр)

Как проверить аккумулятор прибором мультиметр (вольтметр) Необходимые параметры для проверки АКБ мультиметром. Измерение напряжения и емкости аккумуляторной батареи. Последовательность действий для определения внутреннего сопротивления аккумулятора. Проверка тока утечки с помощью мультиметра....

13 02 2024 2:47:17

Светодиодные светильники для офиса потолочные: типы, приемущества

Светодиодные светильники для офиса потолочные: типы, приемущества Светодиодные светильники потолочного типа встраиваемые, накладные и подвесные нашли применение для освещения площадей офисных помещений....

12 02 2024 20:29:20

Расчет электропроводки от А до Я - советы профессионалов

Расчет электропроводки от А до Я - советы профессионалов Рассчитать электропроводку можно выбрав нужный проект, определив параметры питающей линии. Специальный калькулятор может в этом помочь....

11 02 2024 19:35:34

Многотарифные счетчики электроэнергии: особенности, модели

Многотарифные счетчики электроэнергии: особенности, модели Многотарифные электросчетчики это один из лучших помощников в экономии электрической энергии, а его особенности могут сильно повлиять на выбор счетчика....

10 02 2024 19:37:33

Кабель для электроплиты: какой провод нужен для подключения плиты

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....

09 02 2024 16:54:58

Симисторные стабилизаторы напряжения: технические хаpaктеристики, плюсы и минусы

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....

08 02 2024 2:56:56

Технические хаpaктеристики и расшифровка кабелей ВБбШв

Технические хаpaктеристики и расшифровка кабелей ВБбШв Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ВБбШв: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ВБбШв-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов ВБб-Шв (таблица)....

07 02 2024 1:31:44

Таблица билетов с ответами по электробезопасности в зависимости от группы допуска

Таблица билетов с ответами по электробезопасности в зависимости от группы допуска Составление билетов с типовыми вопросами. Таблица билетов с ответами по электробезопасности. Порядок сдачи экзамена по электробезопасности в зависимости от группы....

06 02 2024 14:24:25

Использование тензометра: тензометрирование конструкций, принцип действия и устройство

Использование тензометра: тензометрирование конструкций, принцип действия и устройство Определение и классификация тензометров: различие в тензометрах в зависимости от принципа действия. Тензометр: механическое оборудование и электрические приборы. Струнные и оптические тензометры....

05 02 2024 7:58:12

Розетки с терморегулятором: типы и устройство

Розетки с терморегулятором: типы и устройство Розетки с терморегуляторами это приборы которые в автоматическом режиме поддерживают температуру на необходимом пользователю уровне....

04 02 2024 21:27:42

Измерение работы и мощности электрического тока по формуле

Измерение работы и мощности электрического тока по формуле Определение работы электротока. Как выглядит формула по которой измеряется работа электрического тока. Определение мощности тока с помощью формулы. Производные единицы мощности и работы....

03 02 2024 23:20:22

Определение постоянного и переменного электрического тока

Определение постоянного и переменного электрического тока Понятие о постоянном и переменном токе. Сравнительные хаpaктеристики постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток: различия при трaнcпортировке. Достоинства и недостатки переменных и постоянных электротоков....

02 02 2024 19:42:59

Принцип работы и устройство электрического теплового конвектора: нагревательный элемент

Принцип работы и устройство электрического теплового конвектора: нагревательный элемент Что такое тепловой конвектор, устройство конвектора. Тип разогрева воздуха в разных моделях отопительного электрического устройства. Принцип работы тепловых конвекторов. Преимущества и недостатки теплового конвектора....

01 02 2024 21:49:28

Обжимные клещи КВТ ПК 16У: пневматические и электрические модели

Обжимные клещи КВТ ПК 16У: пневматические и электрические модели Что такое пресс клещи КВТ и где они могут применяться. Особенности и технические хаpaктеристики различных видов обжимных клещей КВТ: пневматические, ручные и электрические. Как правильно пользоваться пресс клещами....

31 01 2024 3:15:46

Устройство светодиодного индикатора зарядки аккумуляторной батареи

Устройство светодиодного индикатора зарядки аккумуляторной батареи Виды индикаторов заряда аккумуляторной батареи: встроенные и внешние. Заводские индикаторы зарядки АКБ в виде панелей. Как собрать светодиодный индикатор самостоятельно: схема изготовления светодиодного индикатора....

30 01 2024 8:32:15

Реверсивный магнитный пускатель: подключение и запуск, настройка реверса

Реверсивный магнитный пускатель: подключение и запуск, настройка реверса Как устроен магнитный реверсивный пускатель. Подключение обычного магнитного пускателя. Особенности подключений магнитных реверсивных пускателей. Контроль подключения силовых контактов к магнитному реверсивному пускателю: схема с кнопками....

29 01 2024 22:28:32

Декор розеток - красота великая сила!

Декор розеток - красота великая сила! Сейчас на рынке большое разнообразие декоративных розеток, мы покажем лучшие решения для вас! Керамика, дерево, фарфор и многое другое....

28 01 2024 5:48:34

Типы ламп освещения: бытовые, уличные и другие

Типы ламп освещения: бытовые, уличные и другие Лампы освещения накального, газоразрядного и светодиодного типов применяются для разных целей. Их используют в быту, на производстве и др. объектах....

27 01 2024 8:23:42

Поверхностный (скин-эффект) в проводнике

Поверхностный (скин-эффект) в проводнике Общее объяснение скин эффекта. Глубина проникновения: формулы расчетов поверхностных эффектов. Приблизительная формула для определения частоты среза для данного диаметра проводника. Способы подавления скин-эффекта....

26 01 2024 13:48:53

Светодиоды для аквариума - расчет и правильный подбор

Светодиоды для аквариума - расчет и правильный подбор Светодиоды для аквариума - важная составляющая системы жизнеобеспечения и комфортные условия существования организмов-гидробионтов....

25 01 2024 3:37:55

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

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....

24 01 2024 3:20:20

Точечные светильники: установка, советы по расположению

Точечные светильники: установка, советы по расположению Установка точечных светильников выполняется на потолке, в нижней части навесных шкафов. С их помощью можно оформить грамотно и лаконично оформить интерьер....

23 01 2024 2:14:33

О программе виртуального осциллографа онлайн для PC

Функциональные особенности онлайн осциллографа для ПК. Термины используемые программой онлайн-осциллографа. Преобразование компьютера в осциллограф. Применение программы в быту....

22 01 2024 6:10:30

Уличная розетка: установка, степени защиты

Уличная розетка: установка, степени защиты Подключение и установка наружной розетки дело важное, она должна соответствовать параметрам необходимым для безопасного использования....

21 01 2024 7:21:31

Формула расчета падения делителя напряжения на резисторе: онлайн калькулятор

Формула расчета падения делителя напряжения на резисторе: онлайн калькулятор Правило и применение делителя напряжений в радиоэлектронике. Принцип делителей напряжений, виды схем и расчетные формулы. Закон Кирхгофа и закон Ома. Примеры расчетов. Калькулятор онлайн....

20 01 2024 0:17:53

О заземлении: ПУЭ по организации заземления электроустановок

О заземлении: ПУЭ по организации заземления электроустановок Что такое заземление. Правила заземления электроустановки. Групповые сети и их заземление. Требования ПУЭ к организации заземляющего контура. Заземление: ПУЭ об организации заземлений на производстве....

19 01 2024 12:57:55

Формула индуктивного сопротивления катушки индуктивности: что это такое и от чего зависит

Формула индуктивного сопротивления катушки индуктивности: что это такое и от чего зависит Определение индуктивного сопротивления. Что такое индуктивное сопротивление катушки индуктивности. Формулы для расчетов. Применение формул для получения верных расчетов во многих отраслях промышленности, электротехнике и энергетике....

18 01 2024 0:10:59

Схема изготовления сетевого фильтра под напряжение 220В

Схема изготовления сетевого фильтра под напряжение 220В Принцип работы сетевого фильтра: измерение выхода системы через конденсатор. Как изготовить сетевой фильтр самостоятельно: схемы распайки и подключения элементов цепи. Изготовление сетевых фильтров своими руками на основе двухобмоточного дросселя....

17 01 2024 4:34:49

Разновидности витой пары и типы маркировки кабеля для интернета

Разновидности витой пары и типы маркировки кабеля для интернета Общая классификация и назначение кабелей типа "витая пара": экранированные и неэкранированные кабеля. Устройство витых пар и правила соединения с помощью коннекторов RJ45. Особенности маркировки, материал и сечение проводника....

16 01 2024 9:23:41

Обучение специалиста по электроэнергетика и электротехника: требования и навыки

Обучение специалиста по электроэнергетика и электротехника: требования и навыки Что изучает электроэнергетика и электротехника. Какие специалисты нужны в электроэнергетике и электротехнике. Где учат будущих электроэнергетиков и электротехников. Сферы использования электроэнергии....

15 01 2024 13:10:55

Схема работы импульсного стабилизатора: стабилизация повышенного вольтажа

Схема работы импульсного стабилизатора: стабилизация повышенного вольтажа Основы импульсного преобразования. Обязательные модулы, которые должен содержать в себе классический импульсный стабилизатор напряжения. Преимущества ОС-регулирования. Схемы управляющих устройств. Понижающие стабилизаторы....

14 01 2024 3:17:56

Кабельные гермовводы: назначение, размеры и классификация

Кабельные гермовводы: назначение, размеры и классификация Основное назначение и применение кабельных гермовводов. Конструктивные особенности сальника кабеля. Основные критерии выбора кабельного гермоввода. Кабельные гермовводы (сальники): типы и классификация....

13 01 2024 5:10:23

Электроснабжение кухни - советы экспертов

Электроснабжение кухни - советы экспертов Современная кухня это основной потребитель электроэнергии в квартире, чтобы избежать проблем с электропроводкой нужно правильно произвести её комплектацию....

12 01 2024 10:17:21

О дистанционных выключателях света с пультом: подключение выключателя своими руками

О дистанционных выключателях света с пультом: подключение выключателя своими руками Принцип работы и особенности дистанционного выключателя света с пультом. Инфpaкрасные (ИК) устройства. Обзор дистанционных включателей света с пультом. Порядок самостоятельного подключения устройств....

11 01 2024 8:23:49

Заземление трaнcформатора: способы заземления и причины

Заземление трaнcформатора: способы заземления и причины Способы и причины заземления, а также зануления понижающих трaнcформаторов. Заземления трaнcформаторов освещения и тока....

10 01 2024 21:21:30

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