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


Коэффициент спроса электрооборудования

Коэффициент спроса электрооборудования Основные формулы расчёта коэффициента спроса, таблица и её основные моменты. Определение что такое коэффициент использования....

03 02 2023 4:50:54

Изготовление усилителя сигнала телевизионных антенн: улучшение приема своими руками

Изготовление усилителя сигнала телевизионных антенн: улучшение приема своими руками Как усилить сигнал: применение антенн активного типа. Классификация ТВ усилителей: широкополосные, многодиапазонные и диапазонные. Изготовление усилителя сигнала телевизионных антенн: улучшение приема телевизора своими руками...

02 02 2023 9:37:18

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....

01 02 2023 14:21:48

Периодичность межповерочного интервала для домашних электрических счетчиков

Периодичность межповерочного интервала для домашних электрических счетчиков Что такое межповерочный интервал проверки электросчетчиков. Особенности процесса пломбирования. Порядок проверки электросчетчиков. Самостоятельная проверка исправности электросчетчика....

31 01 2023 22:42:25

Гистерезиз и его магнитная петля: механизм возникновения петли гистерезиса

Гистерезиз и его магнитная петля: механизм возникновения петли гистерезиса Что такое гистерезис. Вещества и их магнитные свойства. Использование явления. Использование графического изображения петель гистерезиса для упрощения расчётов хаpaктеристик магнитных полей и параметров систем. Площадь магнитного гистерезиса....

30 01 2023 23:53:32

Принцип работы терморезистора и что такое термосопротивление

Принцип работы терморезистора и что такое термосопротивление Принцип действия терморезистора. Виды и особенности конструкции терморезисторов, технические хаpaктеристики. Отличие позисторов от термисторов. Терморезистор: области применения, преимущества и недостатки....

29 01 2023 10:24:12

Параметры тока при параллельном соединении резисторов: расчет подключения

Параметры тока при параллельном соединении резисторов: расчет подключения Правила параллельного соединения резисторов. Расчеты мощности и силы тока в проводниках при параллельном соединении резисторов. Примеры формул. Отличия от последовательного и смешанного соединений....

28 01 2023 14:33:16

Как проверить изоляцию кабеля и ее сопротивление прибором мегаомметром

Как проверить изоляцию кабеля и ее сопротивление прибором мегаомметром 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....

27 01 2023 9:57:18

Разновидности и особенности монтажа уличной светодиодной гирлянды бахрома

Разновидности и особенности монтажа уличной светодиодной гирлянды бахрома Гирлянда бахрома: использование на улице и внутри помещений. Преимущества и недостатки новогодней уличной светодиодной гирлянды бахрома со светомузыкой. Способы уличного монтажа для гирлянды бахрома....

26 01 2023 18:35:20

Диммер для паяльника: схема, принцип действия

Диммер для паяльника: схема, принцип действия Устройство диммера для паяльника и особенности его работы. Простейшие способы регулировки мощности и нагрева паяльника от наших экспертов....

25 01 2023 18:26:54

О периодичности обучения электробезопасности на предприятии и нормативных документах

О периодичности обучения электробезопасности на предприятии и нормативных документах Категории сотрудников, допускаемые к работам в электроустановках. Виды допусков для выполнения работ на электрических установках. Нормативные документы о периодичности обучения электробезопасности на предприятиях....

24 01 2023 2:37:47

Тепловые действия электротоков: формула

Тепловые действия электротоков: формула 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....

23 01 2023 3:20:59

Металлогалогенные светильники: их устройство и подключение

Металлогалогенные светильники: их устройство и подключение Преимущества,особенности и конструкция металлогалогенных светильников, а также инструкция по их подключению от профессионального электрика....

22 01 2023 1:32:13

Схемы включения люминесцентных ламп: последовательная и параллельная

Схемы включения люминесцентных ламп: последовательная и параллельная Устройство и способы зажигания. Полная схема включения люминесцентных ламп. Упрощенные схемы: убираем стартер. Назначение электронного балласта. Схемы включения люминесцентных ламп: последовательная и параллельная....

21 01 2023 21:48:57

Определение мощности электрического тока: обозначение и единицы измерения

Определение мощности электрического тока: обозначение и единицы измерения Электрический ток: единицы мощности, способы измерения, определение. Активная и реактивная мощность тока. Прямые и косвенные замеры. Как обозначается мощность тока. Аналоговые и цифровые приборы для вычисления силы (мощности) токов....

20 01 2023 4:10:55

Расшифровка обозначений и технические хаpaктеристики кабеля ААШВ

Расшифровка обозначений и технические хаpaктеристики кабеля ААШВ 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....

19 01 2023 12:27:24

Виды клеммников и клеммных колодок для DIN рейки: маркировка и пломбировка клемм

Виды клеммников и клеммных колодок для DIN рейки: маркировка и пломбировка клемм Что такое дин-рейка. Клеммы (клемники) и клеммные колодки для DIN реек. Какими бывают клеммные зажимы: проходной с зажимом пружиной, клеммы с размыкающим приспособлением и пр....

18 01 2023 13:26:30

Зарядное устройство для аккумулятора 18650

Зарядное устройство для аккумулятора 18650 Аккумуляторная батарея 18650: преимущества и недостатки, маркировка аккумулятора. Определение эффекта памяти аккумуляторных батарей. Порядок заряда АКБ-18650. Схемы зарядных устройств для аккумуляторов типа 18650....

17 01 2023 18:11:58

Диммер с пультом ду: принцип работы, видео

Диммер с пультом ду: принцип работы, видео Диммер с пультом ду служит для дистанционного управления освещением и является популярным решением при освещении многих объектов, позволяющим создать уют....

16 01 2023 13:52:15

Время токовые хаpaктеристики автоматических выключателей

Время токовые хаpaктеристики автоматических выключателей Время токовые хаpaктеристики автоматических выключателей бывают А, B, C, D, Z, К типов. Они отличаются соотношениями между действующим и номинальным токами....

15 01 2023 12:54:49

Как подключить счётчик через трaнcформатор тока

Как подключить счётчик через трaнcформатор тока Принцип работы и выбор измерительных трaнcформаторов применяемых для учёта электроэнергии. Самые распространённые схемы подключения....

14 01 2023 18:54:40

Катоды и аноды: отрицательно и положительно заряженные электроды

Катоды и аноды: отрицательно и положительно заряженные электроды 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....

13 01 2023 5:46:52

Единица измерения света и формула расчета освещенности помещения

Единица измерения света и формула расчета освещенности помещения Единицы освещения и формула для расчета освещенности. Человеческий фактор и хаpaктер деятельности при расчете измерения света. Приборы для определения уровня освещенности и методика его определения. Способы измерений. Важность величины пульсации....

12 01 2023 12:50:41

Самостоятельная установка электросчетчика

Самостоятельная установка электросчетчика Установка счетчика задача посильная даже не профессионалу. Нужно пройти несколько этапов: выбор, монтаж, и подключение электросчетчика!...

11 01 2023 17:40:28

Как заменить электросчетчик в квартире: сколько стоит поменять электрический счетчик

Как заменить электросчетчик в квартире: сколько стоит поменять электрический счетчик Когда нужна установка нового прибора. Общий порядок и требования к замене электросчетчика в квартире. Разграничение зон ответственности. В каких случаях можно заменить электросчетчик в квартирах бесплатно....

10 01 2023 18:11:35

Тепловизионный контроль электрооборудования

Тепловизионный контроль электрооборудования Что такое тепловизор, его классификация и где он применяется. Особенности тепловизионного контроля за нагревом дефектных частей электрооборудования....

09 01 2023 10:25:29

Подключение светодиодной ленты: общие сведения, монтаж

Подключение светодиодной ленты: общие сведения, монтаж Однокристальные и трехкристальные led-ленты. Грамотное подключение светодиодных лент к батарейке, колонкам или блоку. Как правильно монтировать изделие....

08 01 2023 11:17:27

О Николе Тесле: трaнcформатор Теслы, опыты Теслы

О Николе Тесле: трaнcформатор Теслы, опыты Теслы Историческая справка о Николе Тесле. Закон Теслы. Как собрать мини катушку Теслы своими руками. Единица измерения электромагнитной индукции - это тоже Тесла. Тайна Николы Теслы. Опыты и эксперименты....

07 01 2023 19:44:22

Нормы освещения производственных помещений - сведения и расчет

Нормы освещения производственных помещений - сведения и расчет Нормы освещения производственных помещений должно повышать качество труда, снижать утомляемость, не допускать травматизма....

06 01 2023 9:10:43

Конденсаторы в цепи постоянного тока: история, определение, функции и обозначение

Конденсаторы в цепи постоянного тока: история, определение, функции и обозначение Что такое конденсатор и для чего он нужен. Технические хаpaктеристики емкостных накопителей энергии. Зачем нужны электролитические конденсаторы в сети переменного тока. Зачем нужны конденсаторы в схемах и от чего зависит емкость конденсатора....

05 01 2023 9:12:46

Схема подключения электромагнитных пускателей на 220В и 380В: через кнопочный пост

Схема подключения электромагнитных пускателей на 220В и 380В: через кнопочный пост Разница между контактором и пускателем. Виды магнитных пускателей: классификация приборов по способу размещения и защищённости от вредных воздействий. Схема подключения электромагнитного контактора....

04 01 2023 2:15:44

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....

03 01 2023 4:42:50

Тестеры кабеля: классификация, принцип действия и особенности конструкции

Тестеры кабеля: классификация, принцип действия и особенности конструкции Назначение кабельного тестера. Тестирование с помощью прибора различных кабелей: витой пары, коаксиального кабеля. Определение проблем сетей. Тестеры кабелей как универсальное устройство для обнаружение сетевых неисправностей....

02 01 2023 4:25:56

Выпрямитель тока: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока

Выпрямитель тока: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока Для чего нужны выпрямители переменного тока. Область применения выпрямителей переменных токов. Классификация: по числу фаз, по управляемости, по значению мощности. Выпрямляем переменный ток в постоянный: полуволновой или полноволновой метод....

01 01 2023 2:27:38

О контуре заземления и нормах ПУЭ: как заземлить частный дом

О контуре заземления и нормах ПУЭ: как заземлить частный дом Что такое контуры заземления. Какие для контуров заземления нормы ПУЭ. Конструкции контура заземления. Как правильно заземлить частный дом по нормативам. Влияние почвы на заземление....

31 12 2022 17:51:52

Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты

Определение и использование эффекта Холла: аномальный, квантовый и спиновый эффекты Происхождение эффекта Холла, виды его проявления. Направление Лоренцовой силы. Определение напряжения Холла. Как можно использовать эффект Холла. Эдвин Герберт Холл: небольшая историческая справка....

30 12 2022 10:17:29

Бактерицидная лампа: классификация, выбор, применение

Бактерицидная лампа: классификация, выбор, применение Бактерицидные лампы – источники освещения, позволяющие очистить воздух помещения и воду от бактерий различного происхождения....

29 12 2022 4:19:55

Таблица расчета мощности и напряжения: определяем число ватт и ампер

Таблица расчета мощности и напряжения: определяем число ватт и ампер Как можно рассчитать число ампер в сети с применением закона Ома. Амперы как единицы измерения силы. Таблица единиц измерения и расчета мощности и напряжения. Для чего нужен амперметр. Техника безопасности при работе с электрическим током....

28 12 2022 21:19:24

Инструкция к инфpaкрасным датчикам движения ДД-024: технические хаpaктеристики

Инструкция к инфpaкрасным датчикам движения ДД-024: технические хаpaктеристики Устройство и принцип работы ДД 024. Эксплуатационные и технические параметры инфpaкрасного датчика движения ДД024. Монтаж и схема подключения ДД-024. Настройка датчика движений по трем параметрам....

27 12 2022 20:40:39

Монтаж освещения - советы, основы и рекомендации

Монтаж освещения - советы, основы и рекомендации Монтаж освещения выполняется после составления проекта в соответствии с требованиями электротехнической безопасности и с учетом особенностей интерьера....

26 12 2022 0:34:53

Основы электротехники и электромеханики: начальный курс для чайников

Основы электротехники и электромеханики: начальный курс для чайников Электротехника для начинающих: понятие электричества и что изучает электротехника. Основные понятия электротехники: сила тока, напряжение, сопротивление. Основы электромеханики. Безопасность и пpaктика. Советы начинающим....

25 12 2022 16:38:55

Подвесные светильники: классификация, решения для интерьера

Подвесные светильники: классификация, решения для интерьера Источники света в виде подвесных светильников, играют важную роль для создания комфорта и уюта в помещениях частных владений, квартирах....

24 12 2022 15:22:24

Как обозначается напряжение и единицы силы электрического тока

Как обозначается напряжение и единицы силы электрического тока Что такое электрическое напряжение, случаи требующие его измерения, единицы измерений. Действующее значение напряжения и определение его величины. Сеть постоянного и переменного тока. Требования к измерительным приборам....

23 12 2022 13:34:20

Как выбрать счётчик электроэнергии: виды и особенности

Как выбрать счётчик электроэнергии: виды и особенности Выбор счетчика электроэнергии очень важная часть электрификации своего дома, главное следовать нескольким простым советам, тогда все получится!...

22 12 2022 21:51:39

Как паять светодиодную ленту - подготовка и способы

Как паять светодиодную ленту - подготовка и способы Как паять светодиодную ленту и полезные рекомендации всего процесса. Что нужно для того, чтобы спаять светодиодную ленту....

21 12 2022 9:35:47

Суперконденсаторы: конденсатор большой емкости вместо аккумулятора

Суперконденсаторы: конденсатор большой емкости вместо аккумулятора Суперконденсатор как устройство для накопления электрической энергии. Особенности конструкции и производители суперконденсаторов. Виды суперэлектролитов. Области применения. Достоинства и недостатки конденсаторных изделий....

20 12 2022 8:11:36

В чем отличие кабеля от провода: разница хаpaктеристик и сфер применения

В чем отличие кабеля от провода: разница хаpaктеристик и сфер применения Кабеля и их классификация, различие кабельной продукции по материалу изготовления, параметрам экранирования и т.п. По каким признакам и свойствам классифицируются провода. Чем отличается кабель от провода....

19 12 2022 7:33:30

Удельное сопротивление меди, стали, аллюминия, железа и других металлов

Удельное сопротивление меди, стали, аллюминия, железа и других металлов Определение и формулы для расчета удельных сопротивлений материалов. Проводимость и электросопротивление проводов. Выбор сечения кабеля: по допустимому нагреву, по допустимым потерям напряжения. Удельное сопротивление меди....

18 12 2022 18:19:55

Сварка: способы сваривания жил проводов и кабелей. Инструкция и рекомендации

Сварка: способы сваривания жил проводов и кабелей. Инструкция и рекомендации Технология сваривания аппаратами инверторного типа. Выбор конкретного аппарата для сварки жил проводников. Контактный, газовый и термитный способы сварки....

17 12 2022 23:33:45

Как сделать гирлянду падающий дождь своими руками

Как сделать гирлянду падающий дождь своими руками Зачем нужны гирлянды метеоритный дождь. Как и где применять гирлянду падающий дождь. Устройство электрической гирлянды звездный дождь. Самостоятельное изготовление гирлянды занавес звезды....

16 12 2022 18:36:38

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