Adiabatski negativni in pozitivni Hallov učinek

V vodniku po katerem teče tok, postavljenem v magnetno polje, se inducira napetost v smeri, ki je pravokotna na smeri električnega toka in magnetnega polja. Pojav pojava takšne napetosti imenujemo Hallov učinek, samo inducirano napetost pa Hallova napetost.

Leta 1879 je ameriški fizik Edwin Hall (1855-1938) med delom na svoji disertaciji odkril zanimiv učinek. Vzel je tanko zlato ploščo, po kateri teče enosmerni tok, in jo postavil v magnetno polje, pravokotno na ravnino plošče. V tem primeru se je med robovi plošče pojavilo dodatno električno polje. Kasneje so ta pojav poimenovali po odkritelju. Hallov učinek je našel široko uporabo: uporablja se za merjenje indukcije magnetnega polja (Hallovi senzorji), pa tudi za preučevanje fizikalnih lastnosti prevodnih materialov (z uporabo Hallovega učinka je mogoče izračunati koncentracijo tokovnih nosilcev in njihov znak).

Modul senzorja Hallovega toka ACS712 5A

Obstajata dve vrsti nosilcev električnega toka - pozitivni nosilci, ki se gibljejo v eni smeri, in negativni nosilci, ki se gibljejo v nasprotni smeri.

Negativni nosilci, ki se premikajo v določeni smeri skozi magnetno polje, doživljajo silo, ki želi preusmeriti njihovo gibanje z ravne poti. Pozitivni nosilci, ki potujejo v nasprotni smeri skozi isto magnetno polje, se odklonijo v isto smer kot negativni nosilci.

Zaradi takšnega odstopanja vseh tokovnih nosilcev pod vplivom Lorentzovih sil na isto stran vodnika se vzpostavi gradient naseljenosti nosilcev, na eni strani vodnika pa bo število nosilcev na enoto prostornine večje od na drugi strani.

Spodnja slika prikazuje skupni rezultat tega postopka, ko obstaja enako število nosilcev dveh vrst.

Tu so potencialni gradienti, ki jih ustvarjata nosilca dveh vrst, usmerjeni drug proti drugemu, tako da njihovega vpliva ni mogoče zaznati, če ga opazujemo od zunaj. Če je nosilcev ene vrste več kot nosilcev druge vrste, potem gradient populacije nosilcev ustvari potencial Hallovega gradienta, zaradi česar je mogoče zaznati Hallovo napetost, uporabljeno na žici.

Adiabatni negativni Hallov učinek. Če so nosilci naboja samo elektroni, potem sta gradient temperature in gradient električnega potenciala v nasprotnih smereh.

Adiabatni Hallov učinek. Če so le luknje nosilci naboja, potem temperaturni gradient in gradient električnega potenciala kažeta v isto smer

Če je tok skozi žico pod vplivom Hallove napetosti nemogoč, potem med z Lorentzovimi silami in skozi Hallovo napetostno ravnovesje se vzpostavi.

V tem primeru Lorentzove sile težijo k ustvarjanju gradienta prebivalstva nosilca vzdolž žice, medtem ko Hallova napetost teži k vzpostavitvi enakomerne porazdelitve populacije po celotnem volumnu žice.

Moč (napetost na enoto debeline) Hallovega električnega polja, usmerjenega pravokotno na smer toka d in magnetnega polja, je določena z naslednjo formulo:

Fz = KzVJ,

kjer je K.z - Hallov koeficient (njegov predznak in absolutna vrednost se lahko bistveno razlikujeta glede na posebne pogoje); B - magnetna indukcija in J je gostota toka, ki teče v prevodniku (vrednost toka na enoto površine prečnega prereza prevodnika).

Slika prikazuje list materiala, ki prevaja močan tok i, ko so njegovi konci povezani z baterijo. Če izmerimo potencialno razliko med nasprotnima stranema, nam bo dala nič, kot je prikazano na sliki na levi. Situacija se spremeni, ko je magnetno polje B uporabljeno pravokotno na tok v plošči, videli bomo, da se med nasprotnima stranema pojavi zelo majhna potencialna razlika V3, kot je prikazano na sliki na desni.

Izraz "adiabatno" se uporablja za opis pogojev, kjer ni toplotnega toka od zunaj v ali iz obravnavanega sistema.

Na obeh straneh žice so plasti izolacijskega materiala, ki preprečuje pretok toplote in toka v prečni smeri.

Ker je Hallova napetost odvisna od neenakomerne porazdelitve nosilcev, se lahko vzdržuje v telesu le, če se energija dovaja iz nekega vira zunaj telesa.Ta energija prihaja iz električnega polja, ki ustvarja začetni tok v snovi. V galvanomagnetni snovi se vzpostavita dva potencialna gradienta.

Začetni gradient potenciala je definiran kot začetna gostota toka, pomnožena z uporom snovi, Hallov gradient potenciala pa je definiran kot začetna gostota toka, pomnožena s Hallovim koeficientom.

Ker sta ta dva gradienta medsebojno pravokotna, lahko upoštevamo njuno vektorsko vsoto, katere smer bo za določen kot odstopala od smeri prvotnega toka.

Ta kot, katerega vrednost je določena z razmerjem sil električnega polja, usmerjenega v smeri toka, in električnega polja, ki nastane v smeri toka, se imenuje Hallov kot. Lahko je pozitiven ali negativen glede na smer toka, odvisno od tega, kateri nosilci so dominantni - pozitivni ali negativni.

Senzor bližine Hallovega učinka

Hallov učinek temelji na mehanizmu vpliva nosilca s prevladujočo slanostjo, ki je odvisen od splošnih fizikalnih lastnosti prevodne snovi. Za kovine in polprevodnike n-tipa so elektroni nosilci, za polprevodnike p-tipa - luknje.

Naboji, po katerih teče tok, se odklonijo na isto stran žice kot elektroni. Če imajo luknje in elektroni enako koncentracijo, ustvarijo dve nasprotni Hallovi napetosti. Če sta njuni koncentraciji različni, potem ena od teh dveh Hallovih napetosti prevladuje in jo je mogoče izmeriti.

Pri pozitivnih nosilcih je Hallova napetost, potrebna za preprečevanje odklonov nosilcev pod vplivom Lorentzovih sil, nasprotna ustrezni napetosti za negativne nosilce. V kovinah in polprevodnikih tipa n lahko ta napetost celo spremeni predznak, ko se spremeni zunanje polje ali temperatura.

Hallov senzor je elektronska naprava, zasnovana za zaznavanje Hallovega učinka in pretvorbo njegovih rezultatov v podatke. Ti podatki se lahko uporabljajo za vklop in izklop tokokrogov, lahko jih obdela računalnik in lahko povzročijo različne učinke, ki jih zagotovita proizvajalec naprave in programska oprema.

V praksi so Hallovi senzorji preprosta, poceni mikrovezja, ki uporabljajo magnetna polja za zaznavanje spremenljivk, kot so približevanje, hitrost ali premik mehanskega sistema.

Hallovi senzorji so brezkontaktni, kar pomeni, da jim ni treba priti v stik z nobenimi fizičnimi elementi, glede na zasnovo in namembnost lahko generirajo digitalni ali analogni signal.

Senzorje Hallovega učinka lahko najdemo v mobilnih telefonih, napravah GPS, kompasih, trdih diskih, brezkrtačnih motorjih, tovarniških tekočih linijah, avtomobilih, medicinskih napravah in številnih pripomočkih interneta stvari.

Uporaba Hallovega učinka: Hallovi senzorji in Merjenje magnetnih veličin