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
Контроль сопротивлений кабельной продукции. Условия проведения испытаний, требования к окружению и прибору. Измерение сопротивления изоляции мегаомметром. Порядок измерения мегаомметром. Оценка результатов испытаний и их периодичность....
10 11 2025 22:57:15
Томас Эдисон - историческая справка, биография, научные работы великого американского ученого. Изобретения Томаса Эдисона. Тату-машинка изобретенная Томасом Эдисоном. Лампочка-Светлана: изобретение века....
09 11 2025 1:10:19
Разница между прямой и обратной полярностью. Что будет, если перепутать полярность аккумулятора? Определение полярности АКБ без маркировки. Рекомендации по определению и обслуживанию аккумуляторов в зависимости от полярностей....
08 11 2025 10:57:26
При расчете освещения учитываются особенности помещения, условия труда и другие параметры. Вычислениями определяется необходимое количество светильников....
07 11 2025 7:19:30
Диммер с пультом ду служит для дистанционного управления освещением и является популярным решением при освещении многих объектов, позволяющим создать уют....
06 11 2025 7:18:52
Виды сетевого кабеля: от витой пары до оптиволоконных кабелей. Коаксиальный кабель: области и история применения. Витая пара: категории и расшифровки обозначений (маркировок). Оптоволоконные сетевые провода....
05 11 2025 3:13:59
Как сделать монтаж уличного освещения? Первым делом необходимо разработать проект уличного освещения. Затем выбираем источник света и требуемые опоры....
04 11 2025 10:16:24
Применение, преимущества и способы использования трехклавишного выключателя с розеткой. Виды устройств и особенности подключения. Методы подключения: с распределительной коробки и без нее. Ошибки при монтаже....
03 11 2025 6:23:18
Инструментарий для работы с кабелем и коннекторами rj45. Ножничные и выдвижные кримперы. Кабельные стpиппepы. Тестеры rj45. Виды инструмента, правила пользования. Универсальный обжимной инструмент....
02 11 2025 4:48:42
Виды кабель-каналов: прозрачные, перфорированные, гибкие, магистральные и другие. Размеры кабельных каналов для электропроводки и порядок монтажа кабель канала. Хаpaктеристика кабельного металлического канала....
01 11 2025 9:52:26
Принципиальна схема симисторного однофазного стабилизатора. Достоинства и недостатки современных стабилизаторов на симисторных элементах. Симисторный стабилизатор 12 вольт: схема сборки своими руками....
31 10 2025 20:27:52
Напольные светильники создают необходимый уровень освещения в нужной зоне и придавать интерьеру помещения комфорт, теплоту и уют....
30 10 2025 17:49:39
Виды существующих зон их время, в суточном понимании. Выбор многотарифных счётчиков для их учёта и экономическая выгодность....
29 10 2025 9:20:38
Виды стабилизаторов по классам. Выбор типа защитного устройства. Подготовка места для монтажа стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжений: типовая схема подключения. Порядок проведения работ. Стабилизация трёхфазного питающего напряжения....
28 10 2025 19:11:20
Рабочая категория электромонтера. Основные функции, права и обязанности по ремонту. За что он ответственен и с какими службами взаимодействует. Фото, видео....
27 10 2025 15:39:27
Бестеневая лампа и светильник - надежные и пpaктичные осветительные приборы, которые нашли применение во многих отраслях промышленности и в медицине....
26 10 2025 2:15:44
Формула и расчет КПД электрической цепи. Для чего нужен расчет коэффициента полезного действия. Определение мощности. Нахождение тока и определение значений для каждого элемента в электрической цепи....
25 10 2025 15:11:42
Экзаменационные тесты для проверки знаний норм и правил работы в электроустановках в объеме группы lV по электробезопасности...
24 10 2025 17:18:37
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....
23 10 2025 23:49:24
Признаки повреждения резисторов. Проверка сопротивления мультиметром. Порядок проверки «подозрительного» резистора. Переменный резистор: правила проверки (прозвона). Измеряем позистор. Мультиметр: правила эксплуатации....
22 10 2025 12:25:34
Назначение и принцип действия инфpaкрасного датчика движения IEK. Технические хаpaктеристики инфpaкрасных датчиков IEK (модельный ряд ДД-012, ДД-018В, ДД-017, ДД-019). Габаритные размеры датчиков. Монтаж и настройка приборов....
21 10 2025 5:48:47
Определение модульного заземления. Устройство штыревого заземления. Глубина помещения электрода в грунт. Принцип установки модульных заземлений. Преимущества глубинного заземления. Что такое искусственный заземлитель....
20 10 2025 20:15:57
Воздействие электротока на человеческий организм. Понятие электротравмы. Подразделение степеней тяжести поражения от удара электрическим током. Классификация электротравматизма. Виды местных электротравм....
19 10 2025 8:19:32
Определение электромагнитного излучения. Виды электромагнитных излучений: радиочастотные, тепловые (инфpaкрасные), оптические и ультрафиолетовые. Природа и классификация источников-излучателей....
18 10 2025 11:27:17
Назначение, принцип действия и конструктивные особенности измерительных трaнcформаторов тока, их выбор и испытание....
17 10 2025 19:45:19
Принцип действия дифференциальной защиты оборудования. Продольная и поперечная дифзащита генераторов. Защита шин от короткого замыкания....
16 10 2025 14:49:51
Чтобы произвести монтаж розеток в доме, нужно подготовить штробы или воспользоваться кабель каналом, установить подрозетники и сделать разводку проводов....
15 10 2025 11:34:33
Чтобы передать показания счетчика электроэнергии поставщику электроэнергии их нужно записать, этим мы и займемся в нашей статье....
14 10 2025 12:35:40
Диагностика повреждений и методика проверки стабилизатора. Ремонт электромеханических и релейных стабилизаторов напряжения. Ремонт платы управления стабилизатора своими руками. Степень сложности ремонта различных видов стабилизаторов....
13 10 2025 21:21:19
Определение положительно и отрицательно заряженного электрода. Применение катода и анода в теории и пpaктике. Применение в электрохимии. Использование катодов и анодов в вакуумных электронных приборах. Маркировки....
12 10 2025 3:55:55
Виды и особенности литий ионных аккумуляторов. Принцип работы и конструкция литий-ионных аккумуляторных батарей. Проверка литиевой АКБ. Области применения литиевого аккумулятора. Обслуживание и ремонт....
11 10 2025 19:23:46
Принцип работы ПДУ. Варианты и назначение пультов дистанционного управления. Программируемые ПДУ и работа с ними. Как запрограммировать универсальный пульт. Какими устройствами можно управлять с помощью программируемого ПДУ....
10 10 2025 1:31:54
Различие рабочих зон: три основные категории помещений. Проведение защитных мероприятий. Помещения по степени опасности поражения электрическим током....
09 10 2025 6:45:29
Светодиоды для аквариума - важная составляющая системы жизнеобеспечения и комфортные условия существования организмов-гидробионтов....
08 10 2025 0:16:49
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....
07 10 2025 21:59:22
Освещение в спальне устанавливается в виде потолочных, настенных и настольных светильников, выбор которых зависит от нескольких факторов....
06 10 2025 2:35:38
Как подключать светодиоды от 12 В и 220 В. Основные схемы подключения и расчёт резистора, полная инструкция от профессионала....
05 10 2025 7:14:31
Установка точечных светильников выполняется на потолке, в нижней части навесных шкафов. С их помощью можно оформить грамотно и лаконично оформить интерьер....
04 10 2025 16:25:17
Ремонт энергосберегающих ламп, их разборка и самые распространенные неисправности. Ремонт настольных ламп. Советы профессионалов....
03 10 2025 12:52:24
Понятие кабельного чулка. Преимущества кабельных чулок, облегчающих процесс протяжки и фиксации кабеля. Разновидности кабельных чулок. Кабельные чулки с петлями различной модификации....
02 10 2025 6:53:16
Электрическое сопротивление тела человека. Человек как проводник электрического тока. Значение полного сопротивления тел людей. Место приложения электротока и значение его показателей. Физиологические факторы и показатели окружающей среды....
01 10 2025 19:51:31
Определение (расшифровка) МПОТ. Порядок исполнения правил и требования к работникам. Требования по устройству электроустановок. Порядок исполнения работ и обследование электроустановок. Межотраслевые правила по охране труда и по эксплуатации электрооборудования....
30 09 2025 19:39:54
Назначение и принцип работы терморегуляторов с датчиком температуры воздуха. Важные функции выполняемые термореле или термостатом. Особенности датчиков температур. Особенности эксплуатации терморегулятора оснащенного выносными датчиками....
29 09 2025 3:44:12
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....
28 09 2025 6:22:48
Конструктивные особенности пускателя магнитного электрического ПМЕ211. Величины электромагнитных аппаратов и расшифровка маркировки. Магнитный электрический пускатель ПМЕ 211: особенности малогабаритного контактора....
27 09 2025 11:39:54
Легальные и незаконные способы экономии електричества. Энергосберегающий прибор, основные правила работы. Принципиальная схема устройства своими руками....
26 09 2025 19:37:18
Зачем проверять АКБ. Что проверить перед оценкой состояния аккумулятора. Что такое нагрузочная вилка: особенности применения. Порядок проверки аккумулятора с помощью нагрузочной вилки. Параметры (таблица) для оценки годности батареи....
25 09 2025 5:43:36
Аккумуляторы и их виды: классификация аккумуляторных батареек в зависимости от размера, мощности и конструкции. АКБ: принцип работы и применение. Зарядные устройства для аккумуляторных батарей в зависимости от типа аккумуляторов....
24 09 2025 7:23:32
Как правильно подключить диммер для ламп и светодиодной ленты. Схемы подключения диммера, особенности, правила....
23 09 2025 21:41:17
Как выглядит терморегулятор для инкубатора: общие сведения об устройстве. Изготовление терморегулятора с датчиком температуры для инкубаторов своими руками. Принцип работы оборудования. Особенности сборки термостата....
22 09 2025 6:26:27
Еще:
Электрика -1 :: Электрика -2 :: Электрика -3 :: Электрика -4 ::
