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
Гипсокартон не совсем удобный материал для установки розетки, но общий порядок работ не сильно отличается от установки в другие типы стен....
18 10 2026 22:39:42
Опасность поражения электрическим током и основные причины электротравм на производстве. Основные правила техники безопасности при работе с электричеством в быту и в промышленном производстве....
17 10 2026 12:53:11
Что собой представляет Олимпокс. Современные технологии оптимизирующие обучающую систему. Обучение и тестирование по программе электробезопасности Olimpoks на предприятиях без отрыва от производственной деятельности....
16 10 2026 8:59:51
Что собой представляет источник бесперебойного питания. Типы источников питания и выбор нужного в конкретных условиях устройства....
15 10 2026 0:45:10
Какие разветвители для ТВ антенны лучше использовать для разделения сигнала на 2, 3 и 4 телевизора. Что такое тройник для телевизионной антенны. Как правильно выбрать краб для антенны для телевизора. Принцип работы сплиттера для спутниковой антенны....
14 10 2026 2:58:37
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....
13 10 2026 3:19:56
Снятие показаний со счетчиков индукционного типа и электронных электросчетчиков. Как снять показания счетчика электроэнергии Меркурий. Сколько цифр списывается с табло индукционных аппаратов. Учёт электроэнергии в цепях трёхфазного тока....
12 10 2026 17:14:23
Назначение и принцип работы УЗО. Подключения устройства защитного отключения. Основные отличия УЗО от дифференциального автомата. Как выбрать нужное устройство по параметрам....
11 10 2026 20:49:27
Пути совершенствования: микроминиатюризация и микросхемотехника. Пpaктическая электроника для начинающих: основы и азы. Основные разделы и направления электроники как науки. Вакуумные среды и твёрдые тела....
10 10 2026 10:33:25
Описана установка алюминиевого профиля для светодиодной ленты, а также рассказано какие бывают виды профиля для светодиодов....
09 10 2026 6:13:40
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?...
08 10 2026 9:35:14
Монтаж электрооборудования - ответственные операции. Их выполняют с соблюдением действующих правил и придерживаясь техники безопасности....
07 10 2026 11:58:52
Физическое объяснение потенциала. Образование электрического поля и его особенности. Понятие однородных электрических полей. Энергия по перемещению положительно заряженной частицы....
06 10 2026 11:56:19
Лампы накаливания широко используемые в быту и промышленности. Они различаются по конструкции, мощности, световой отдаче и дизайну....
05 10 2026 10:20:36
Конструктивные особенности пускателя магнитного электрического ПМЕ211. Величины электромагнитных аппаратов и расшифровка маркировки. Магнитный электрический пускатель ПМЕ 211: особенности малогабаритного контактора....
04 10 2026 0:40:30
Устройство контура заземления, необходимая аппаратура, полезные рекомендации и монтаж заземления от эксперта....
03 10 2026 6:52:48
Виды электропроводок, общие требования по монтажу и использованию это важная часть электробезопасности. Все нормы,ПУЭ,СНиП....
02 10 2026 0:17:26
Какого сечения нужен кабель для электроплиты при подключении. Какой кабель используется для подключения плиты в квартире....
01 10 2026 23:25:47
Особенности и виды и типы маркировок конденсаторов. Различия в маркировке конденсаторов по типу: из бумаги или металлобумаги, электролитических, полимерных, пленочных и керамических....
30 09 2026 7:32:27
Разновидности стабилизаторов: по типу подключения, по методу установки, по классу исполнительного механизма (схеме стабилизации). Как правильно выбрать стабилизатор для дома или офиса. Что лучше сетевой фильтр или стабилизатор напряжения. Механический стабилизатор напряжения для дома....
29 09 2026 3:17:15
Расшифровка и технические хаpaктеристики кабеля КГ. Размерные и температурные показатели провода КГ. Область применения и способы прокладки кабелей КГ. Описание электрических параметров проводов КГ....
28 09 2026 2:58:39
Активная и реактивная энергия и нагрузка сети. По какой формуле осуществляется перевод кВа в кВт. Расшифровка обозначений. Ватты, вольты, амперы - разбираемся в различиях терминов....
27 09 2026 10:46:46
Для чего применяются таймеры и рале времени, их различия и модификация. Правильный выбор нужного таймера....
26 09 2026 21:39:31
Показатели качества электрической энергии, средства измерения и принцип их действия можно освоить самому! А так же понять зачем это нужно....
25 09 2026 16:52:44
Методы регулировки освещенности: реостатный или симисторный. Две группы выключателей с регулировкой яркости по конструктивному исполнению. Разновидности комнатных светорегуляторов. Типы используемых в выключателях с регулятором яркости ламп....
24 09 2026 17:49:21
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....
23 09 2026 1:12:23
Для чего нужно заземление. Классификация заземления: отличие устройств в зависимости от их предназначения. Защита от молний. Использование естественных заземлений. Как правильно сделать искусственное заземление в частном доме: срок службы заземления....
22 09 2026 23:58:11
Формулирование закона электромагнитной индукции (закон Фарадея). Опыты с электромагнитыми катушками. ЭДС индукции в проводнике: расчет индуктивного напряжения. Законы электролиза. Электромагнитная индукция: история и современное применение....
21 09 2026 13:28:16
Главный принцип работы гелевого аккумулятора. Конструкция и особенности гелевых аккумуляторных батарей. Специфика зарядки гелевой батареи. Автомобильная гелевая аккумуляторная батарея: достоинства и недостатки....
20 09 2026 14:55:54
Принцип действия сварочного трaнcформатора, его виды и методика расчёта. Улучшение и усовершенствование сварочных аппаратов....
19 09 2026 4:10:35
Исход поражения электротоком и опасные величины тока. Какой силы бывает cмepтельный ток для человека. Опасность переменного и постоянного электротока. Как подразделяется электроток в зависимости от того, как он влияет на человеческое здоровье....
18 09 2026 8:31:41
Детские светильники выполнены с применением источников света специально созданных для детей и позволяют подобрать модели для общего и локального освещения....
17 09 2026 22:24:30
Неоновая лампа – источник света, который применяют для подсветки помещений, создания рекламы, индикации вычислительной техники и т.д....
16 09 2026 0:26:32
Польза и вред резонансов. Резонанс в электрических цепях как явление. Добротность колебательной системы. Положительные и отрицательные стороны резонанса. Частота резонанса....
15 09 2026 7:49:22
Светодиодные светильники потолочного типа встраиваемые, накладные и подвесные нашли применение для освещения площадей офисных помещений....
14 09 2026 0:23:45
Подробное описание самостоятельного подключения дифференциального автомата, анализ основных ошибок установки, схемы и рекомендации по теме...
13 09 2026 6:29:37
Особенности конструкции энергосберегающих ламп. Достоинства и недостатки энергосберегающей лампы. Таблица мощности и классификация энергосберегающих источников освещения. Как выбрать устройство для освещения....
12 09 2026 7:12:38
Основы импульсного преобразования. Обязательные модулы, которые должен содержать в себе классический импульсный стабилизатор напряжения. Преимущества ОС-регулирования. Схемы управляющих устройств. Понижающие стабилизаторы....
11 09 2026 7:48:33
Назначение электроприбора ИС 10 для измерения сопротивления заземления. Отличительные особенности прибора ИС10. Основные хаpaктеристики: диапазоны измеряемых величин, погрешность измерения сопротивлений....
10 09 2026 2:57:57
Принцип работы антенны для телефона. Есть разница между антеннами для телефонов и смартфонов. Изготовление антенн для телефонов и смартфонов: усиление сигнала сотовой связи своими руками в домашних условиях....
09 09 2026 17:37:53
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
07 09 2026 20:12:27
Коммерческий учет это финансовый расчет между предприятием поставляющим электрическую энергию или производящими ее и конечным потребителем....
06 09 2026 22:28:12
Электрическая структура и схема диода. Классификация и маркировка диодов. Полупроводниковые диоды: преимущества непосредственного включения в схему. Выпрямительный полупроводниковый диод: принцип работы выпрямителя....
05 09 2026 13:37:49
Определение полярности конденсатора отечественного производства. Где у конденсатора плюс и минус. Как определить полярность при стертой маркировке? Электролитические конденсаторы, которые считаются необычными электронными компонентами....
04 09 2026 16:49:40
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....
03 09 2026 18:32:40
Колебательный контур: определение. Формулы расчета резонансной частоты колебательного контура. Подключение к цепи индуктивной катушки. Определение резонанса как явления....
02 09 2026 0:29:57
Кому и какой организацией выдается удостоверение по электробезопасности. Что такое "удостоверение электрика". Сколько допусков существует для работе на энергоустановках. Периодичность аттестаций сотрудников....
01 09 2026 18:33:39
Определение магнитной (диамагнитной) левитации. Магнитная левитация: эксперименты в домашних условиях. Как сделать левитирующий магнит своими руками. Применение магнитов в подшипниках. Как используют магнитную левитацию в ветрогенераторах....
31 08 2026 4:49:59
Особенности применения цифрового аппарата осциллографа и общие принципы функционирования. Расшифровка осциллограммы. Порядок подключения осциллографов. Возможности двухкaнaльного прибора. Определение угла сдвига фаз на осциллограмме....
30 08 2026 2:37:45
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
