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
Популярным элементом любого интерьера является грамотно выполненная подсветка потолка. Она придаст помещению любого назначения индивидуальность....
14 04 2026 20:21:54
Определение производственной мощности. Взаимосвязь параметров цепи: формула для вычисления. Проблемы низкого cos φ и способы их решения. Коэффициент использования установленной мощности как важнейшая хаpaктеристика эффективности работы предприятий электроэнергетики....
13 04 2026 0:29:46
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....
12 04 2026 8:56:25
Какие режимы работы гирлянды умный дождь для дома. Виды светового занавеса водопад: можно ли использовать зимой на улице. Размеры гирлянд капли дождя: преимущества и недостатки разной длины....
11 04 2026 15:59:27
Что такое процесс гальванизации? Определение гальванического тока. Две электрохимические технологии гальваники: гальванопластика и гальваностегия. Примеры применения гальванирования: аккумуляторные батареи, оцинковка, уменьшение абразивного износа....
10 04 2026 20:16:27
Вольтметр на основе микропроцессора: подготовка платы и блока питания. Изготовление цифрового вольтметра своими руками в домашних условиях. Сборка и настройка прибора. Пайка на плате с применением активного флюса. Милливольтметр переменного тока....
08 04 2026 19:34:52
Составление билетов с типовыми вопросами. Таблица билетов с ответами по электробезопасности. Порядок сдачи экзамена по электробезопасности в зависимости от группы....
07 04 2026 10:23:39
Разница между индукционными и электронными приборами, плюсы и минусы установок. Список рекомендуемых к применению счетчиков электроэнергии, фото и видео....
06 04 2026 21:57:23
Виды терморегуляторов: механические и электронные — преимущества и недостатки. Двухзонный (двухзональный) термостат: особенности устройства и подключения. Терморегуляторы 12В: правила установки. Сравнительный обзор термостатов....
05 04 2026 0:17:31
Разница между контактором и пускателем. Виды магнитных пускателей: классификация приборов по способу размещения и защищённости от вредных воздействий. Схема подключения электромагнитного контактора....
04 04 2026 2:14:41
Механизм образования газа. Сырье для биогаза. Биогаз: технология получения, преимущества и недостатки. Конструкция биогазовой установки для частного или фермерского хозяйства....
03 04 2026 11:36:52
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 04 2026 18:39:54
Способы пайки: пайка прибором, работающим от тока, с помощью газовой горелки, стыковка двух материалов или провода без паяльника. Как правильно паять паяльником с кислотой....
01 04 2026 13:30:29
Принцип действия, на основании которого работает дифференциальная защита. Виды дифзащиты: продольная и работающая по принципу поперечного включения. Области применения дифференциальной защиты....
31 03 2026 21:58:43
Сфера применения прожекторов с датчиками движения для уличного освещения. Принцип работы устройств. Достоинства и недостатки прожектора с датчиком движения для улицы. Настройка и подключение прожектора....
30 03 2026 0:43:17
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....
29 03 2026 6:15:21
Подключение реверсивного магнитного пускателя. Польза от подключения теплового реле к маг-нитному пускателю. Подключение пускателя по схеме....
28 03 2026 0:53:31
Расшифровка и электрические параметры кабеля ААШВ. Маркировка жил на основе алюминия согласно ГОСТ. Кабель ААШВ: области применения, правила монтажа и эксплуатационный срок. Особенности конструкции провода....
27 03 2026 4:13:41
Основные виды применяемых при эксплуатации трaнcформаторов защит. Их принцип действия и выбор. Особенности защиты печных трaнcформаторов....
26 03 2026 1:11:49
Суть закона полного тока. Пpaктическое применение в расчетах: формулы и законы. Напряженность магнитного поля и магнитная индукция. Распространение постулатов Кирхгофа на магнитные и электрические цепи....
24 03 2026 9:13:55
Профессионал электрик с большим опытом работы в разных сферах электромонтажа и электроэнергетики отвечает на вопросы пользователей....
23 03 2026 15:35:10
Преимущества и недостатки импульсного источника питания. Как работает импульсный блок питания. Импульсный обратноходовой источник питания....
22 03 2026 22:14:11
Установка многоклавишного выключателя с розеткой: выключатель, без розетки или с ней, применяется в случае если нужно им включить одну группу освещения....
21 03 2026 6:49:17
Происхождение эффекта Холла, виды его проявления. Направление Лоренцовой силы. Определение напряжения Холла. Как можно использовать эффект Холла. Эдвин Герберт Холл: небольшая историческая справка....
20 03 2026 13:43:22
Чтобы передать показания счетчика электроэнергии поставщику электроэнергии их нужно записать, этим мы и займемся в нашей статье....
19 03 2026 5:57:26
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?...
18 03 2026 22:10:16
Виды миллиамперметров и микроамперметров. Сравнительные хаpaктеристики приборов. Общая информация, сферы применения миллиамперметра. Различия и погрешности цифровых и аналоговых устройств. Подключение микроамперметра....
17 03 2026 1:18:23
Что называют электрическим током. В каких единицах измеряется сила или величина электрического тока. Что представляет собой электрический ток. Проводники и полупроводники. Законы для электротока. Хаpaктеристики электроцепи....
16 03 2026 12:59:13
Особенности обустройства проводки в деревянном доме по ПУЭ. Требования пожарной безопасности в случае скрытой проводке в деревянных домах. Используемые материалы: кабель-каналы, выбор проводов и распаечных коробок....
15 03 2026 7:50:33
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....
14 03 2026 4:57:35
Маркировка установочных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция ПуГВ (аналог ПВ-3): требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики ПуГВ-провода и кабеля ПуГВВ. Конструктивные хаpaктеристики проводов ПуГВ и ПуГВВ....
13 03 2026 12:15:42
Технология сваривания аппаратами инверторного типа. Выбор конкретного аппарата для сварки жил проводников. Контактный, газовый и термитный способы сварки....
12 03 2026 4:55:22
Что такое электролиз: определение, историческая справка, современные методы применения и будущее электролиза. Расплавы и растворы: производство меди и алюминия. Какие устройства называет электролизерами....
11 03 2026 4:10:12
Функциональное использование магнитного пускателя ПМ-12. Хаpaктеристики и основные технические значения пускателей ПМ12. Принцип работы и комплектность. Монтаж и отличие от контакторов....
10 03 2026 21:45:55
Определение общего сопротивления в электрической цепи. Способы совмещения элементов. Виды сопряжений: последовательное, параллельное, смешанное. Особенности расчетов. Общее сопротивление электрической цепи: расчеты и формулы....
09 03 2026 20:23:48
Аварийное освещение имеет ряд требований и является обязательным при строительстве объектов, относящихся к определенной категории....
08 03 2026 0:36:10
Суперконденсатор как устройство для накопления электрической энергии. Особенности конструкции и производители суперконденсаторов. Виды суперэлектролитов. Области применения. Достоинства и недостатки конденсаторных изделий....
07 03 2026 1:32:42
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...
06 03 2026 17:24:22
Пути вычисления электрических схем. Категории элементов и устройств электрической цепи. Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа. Метод преобразования электроцепи. Дополнительные методы расчета цепей....
05 03 2026 10:59:45
Конструкция провода ПНСВ. Хаpaктеристики кабеля. Технология монтажа ПНСВ-кабеля. Расшифровка маркировки, технические хаpaктеристики проводов. Области применения кабелей ПНСВ. Как подключить и проложить провод....
04 03 2026 12:54:40
Аккумуляторная и обычная батарейка: технические хаpaктеристики и основные различия. Проверка заряда элемента питания с помощью мультиметра без нагрузки. Как проверить заряд батарейки мультиметром под нагрузкой....
03 03 2026 20:42:55
Как работает электромагнит? Изготовление электромагнита 12в. в домашних условиях. Преимущества использования электромагнитов переменного тока. Расчеты изготовления магнитов для переменного и постоянного токов. Находим применения электромагниту в телевизорах, трaнcформаторах и пусковых устройствах автомобиля....
02 03 2026 14:26:33
Функциональные группы в энергетике (таблица). Группы по электробезопасности, аттестационные права ЭБ (таблица). Таблица необходимого для последующей аттестации стажа в электрических установках. Аттестация по электробезопасности....
01 03 2026 19:14:30
Маркировка контрольных проводов и кабелей согласно ГОСТу. Конструкция КВВГНГ LS: требования предъявляемые к изоляции провода. Технические хаpaктеристики КВВГНГ-провода. Конструктивные хаpaктеристики проводов КВ-ВГНГ (таблица)....
28 02 2026 4:55:48
Что такое мощность электроэнергии. Мгновенное значение электрической мощности. Расчеты для электроцепей переменного тока. Формулы измерений, калькулятор зависимости от тока и мощности. Расчет реактивных мощностей. Типы нагрузок в электроцепях....
27 02 2026 20:20:44
Правила установки накладных розеток. Особенности их монтажа на деревянные стены. Конструктивный дизайн, а также заключение, фото и видеоматериал....
26 02 2026 13:33:48
Газонаполненные лампы и их особенности, классификация, недостатки и сфера применения. Чем они отличаются от ламп накаливания....
25 02 2026 1:20:39
Виды электросчётчиков: индукционные и электронные. Как правильно снимать показания электросчётчика. Форма оплаты для физических лиц. Правильность заполнения квитанций. Оплата электроэнергии по счетчику....
24 02 2026 5:40:24
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
