Definice a použití Hallova jevu: anomální, kvantové a spinové efekty
Tento jev byl objeven na konci 19. století. Hallův jev (HE) dostal své specifické jméno od vědce, který zaznamenal změnu potenciálu na zlaté desce během experimentů s elektřinou a permanentními magnety. V dnešní době se základní principy objevu uplatňují při výrobě senzorů. Používají se k měření síly proudu bez přerušení obvodu.
Moderní snímače rychlosti otáčení založené na Hallově jevu
Co je Hallův efekt
Pro opakování klasického experimentu není nutné používat drahé kovy. Pro registraci výskytu rozdílu potenciálů zcela postačuje citlivost sériového laboratorního voltmetru. Je snadné zajistit silný, rovnoměrný magnetický tok, pokud zvolíte vhodné produkty z neodymové slitiny.
Co je to Hallův efekt, lze zjistit pomocí vizuálního experimentu
Pokud umístíte vodič (desku) do magnetického pole, jak je znázorněno na obrázku, změří se napětí na koncích. Série elementárních experimentů může odhalit vzor změn naměřených hodnot se zvýšením (snížením) síly proudu v pracovním obvodu.
Na tomto principu je založena praktická aplikace Hallova jevu (HE). Toto schéma umožňuje měření elektrických parametrů bez narušení integrity vodivých obvodů. Bezkontaktní metoda umožňuje spolehlivou izolaci snímače od nepříznivých vnějších vlivů. Takové techniky pomáhají prodloužit životnost zařízení, které je provozováno v obtížných podmínkách. Obdobná řešení se používají zejména v návrzích automobilového a leteckého vybavení.
Od Lorenze po Halla
Pro lepší pochopení fyzikálních procesů je vhodné si připomenout základní definice Lorentzovy síly. Popisují vliv magnetického pole na pohybující se náboj. Pokud jsou siločáry a vektor rychlosti kolmé, elektron bude vychýlen svisle nahoru.
Lorentzova síla a Hallův jev: vysvětlení hlavních závislostí
Druhá část obrázku ukazuje, jak Lorentzova síla ovlivňuje tok elektronů. Jejich pohyb v určitém směru zajišťuje připojený stejnosměrný zdroj. Je snadné změřit potenciálový rozdíl (Uх) v odpovídajících bodech plochého vodiče.
Pro vaši informaci. Pohyb elektronů je opačný než pohyb proudu, což je na obrázku označeno šipkami.
Pro určení polarity potenciálu použijte známé pravidlo pravé ruky. Umístěním dlaně v souladu se směrem pohybu elektronů poloha palce určuje směr Lorentzovy síly. V uvažovaném příkladu posouvá záporné náboje na desce směrem dolů. Odpovídající znak „-“ je vyznačen na obrázku.
druhy
V klasické verzi je Hallův jev pohyb nábojů v určitém směru při vystavení magnetickému poli. Níže jsou uvedeny charakteristiky různých typů jevů, které jsou založeny na různých principech.
Abnormální
V tomto případě je hlavním rysem, že rozdíl potenciálů je zaznamenáván bez vlivu magnetického pole. Podobné jevy jsou pozorovány u produktů s magnetizovanými vlastnostmi.
Kvantová
Tento typ EC je určen výskytem kvantových charakteristik odporu s výrazným poklesem teploty vzorku. Experimentálně byla potvrzena závislost vodivosti na silových parametrech magnetického pole při zachování konstantní koncentrace nosičů náboje.
Frakční
Tento jev je variací kvantového EC diskutovaného výše. Byl registrován při postupném zvyšování magnetické indukce.
Roztočit
V této variantě jsou pro experimenty použity vodiče s nemagnetickými charakteristikami. Neexistuje žádné vnější pole. Pozoruje se posun nábojů v opačných směrech.
Vzorce a výpočty
Protože v klasické definici Hallův jev – toto je pohyb nábojů pod vlivem vnějšího magnetického pole, lze učinit několik závěrů:
- napětí (Uх) generované v řídicích bodech bude přímo úměrné proudu (I);
- podobnou závislost určují silové parametry pole, které jsou vyjádřeny prostřednictvím vektoru (B) magnetické indukce;
- Velikost vodiče je velmi důležitá.
Jaký potenciál bude získán s určitými počátečními parametry? Níže je uveden transformační algoritmus s konečným vzorcem pro výpočty.
K určení Lorentzovy síly (Fl) použij výraz:
kde:
- q – elementární náboj;
- v je rychlost jeho pohybu.
Když je deska připojena podle hlavního schématu experimentu s konstantním proudem, rozdíl potenciálů se stabilizuje. Poté bude vytvořené elektrické pole působit na náboje určitou silou Fэ = q * E, kde E je odpovídající intenzita.
V tomto stavu Fл = Fэ bude tedy hodnota pravých částí vzorců také rovna: q*v*B = q * E. Tedy E = v*B.
proudová hustota (j) je určeno výrazem:
j = q * v *n, kde n je počet nabitých částic na jednotku objemu.
Po transformaci výrazu se výpočet rychlosti dosadí do vzorce napětí:
Potenciální rozdíl lze snadno vypočítat na základě napětí a vzdálenosti (d) mezi kontrolními body (plochy):
Uх = E * d = d * (j/q*n) * B = (1/q*n) * d * j * B.
Část výrazu (1/q*n) = R je Hallova konstanta. Určuje inverzní závislost na celkovém náboji částic.
Dosazením Hallova koeficientu do posledního výrazu můžeme zapsat výsledný vzorec takto:
Výhody a nevýhody
Hlavní výhodou snímačů vytvořených na základě tohoto efektu je izolace obvodů (měřicích a vodivých). Kromě výše zmíněné dobré ochrany před vnějším prostředím toto konstrukční řešení zajišťuje absenci zpětného vlivu na hlavní elektrický obvod. To znamená možnost rychlé změny místa měření. Další výhodou je minimální spotřeba energie.
Nevýhodou je omezená přesnost (1-2 % u nejlepších vzorků). Použití odporového analogu v kombinaci s diferenciálním zesilovačem umožňuje lepší výsledky při nižších nákladech. V tomto případě se však předpokládá, že ovládací prvek musí být instalován v pracovním obvodu a spotřeba energie musí být srovnatelně zvýšena.
Je třeba také poznamenat, že frekvenční rozsah Hallových snímačů je omezený. Produkční modely fungují správně až do 70-90 kHz. Dražší produkty v kategorii broadband jsou určeny pro použití do 240-260 kHz. Je třeba počítat s nízkou citlivostí, která způsobuje potíže při práci s nízkými proudy.
přihláška
S ohledem na malý rozdíl potenciálů je pochopitelné typické řešení s připojením svorek snímače k operačnímu zesilovači. Signál je poté odeslán do indikačního zařízení. Převod do digitální podoby se provádí pomocí triggeru. Při odpovídající konfiguraci se obvod spustí, když je detekována určitá úroveň magnetického pole.
Uvedené možnosti se používají k ovládání polohy rotoru nebo frekvence otáčení elektromotoru. Na požadovaná místa jsou připevněny permanentní magnety a senzor.
Hallův senzor v bezkontaktním zapalovacím systému automobilu
Ve vodičích a polovodičích
Fyzika Hallova jevu (vliv magnetického pole na elektrony) je podrobně probrána výše. Při práci s polovodiči se však navíc zohledňuje chování děr. Zejména určují koncentraci a pohyblivost nabitých částic a fotovodivost materiálů. Měření polarity potenciálů nám umožňuje určit typ polovodiče (p nebo n).
Hallovy senzory
Analogové produkty fungují na základě základních principů jevu. Síla proudu je určena změnou potenciálu. Digitální modely se spouštějí při určité úrovni indukce. Jednotka na výstupu signalizuje přítomnost magnetického pole.
Výroba proudového snímače na bázi Hallova jevu
Pro vytvoření funkčního zařízení je potřeba zakoupit snímač ve standardním provedení („tranzistorové“ pouzdro se třemi svorkami). Feritový kroužek vhodné velikosti je pečlivě rozřezán na polovinu. Půlkroužky jsou připojeny ke standardní krokosvorce. Na koncích je nalepen snímač a tlumicí těsnění.
Po připojení přes zesilovač k multimetru můžete měřit proud ve vodičích bez přerušení obvodů.
Výskyt Hallova EMF je způsoben interakcí proudových nosičů (elektronů a děr) s vnějším magnetickým polem. Lorentzova síla F = q [ v H ] tučný symbol F = q [ tučný symbol v tučný symbol H] F = q [ v H ] , působící z magnetického pole na pohybující se náboje ( qqq je náboj, v = j / nq tučný symbol v = tučný symbol j/nq v = j / rychlost pohybu je směrovaná výchylka náboje nosiče ve směru kolmém na H tučný symbol HH a j tučný symbol jj nebo na „kroucení“ jejich trajektorie. V důsledku toho vzniká Hallovo pole, které působí na náboje a vyrovnává Lorentzovu sílu: q EH = qv H qE_H=qvH q EH = qv H , a tedy R = 1 / nq R=1/nq R = 1/ nq . Znak RRR se shoduje se znaménkem nosičů náboje. V kovech, kde nnn ≈10 28 m −3, je RRR řádově 10 –9 m 3 /C; v polovodičích, RRR ≈ 10 −5 –10 −1 m 3 /C. U kovů závisí hodnota RRR na pásové struktuře, stupni čistoty vzorku, jeho orientaci vůči krystalografickým osám, velikosti magnetického pole a teplotě.
Při popisu Hallova jevu v magnetech je třeba vzít v úvahu přítomnost jejich vlastního molekulárního pole, vytvořeného uspořádanými magnetickými momenty. Potom má Hallovo pole tvar: E y = RB zjx + R s 4 π M zjx E_y=RB_zj_x+R_s4πM_zj_x E y = RB z jx + R s 4 π M z jx odpovídající projekt yy, tučně azzy, s BB, M tučný symbol MM jsou indukce magnetického pole a magnetizace magnetu, v tomto pořadí, R s R_s R s je konstanta anomálního Hallova jevu). Příspěvek k Hallově poli úměrný MMM se nazývá spontánní nebo anomální Hallův jev, protože je realizován ve fero-, antifero- a ferimagnetických vodičích a polovodičích. Ve feromagnetech Rs R_s Rs může být řádově větší než hodnota RRR. Konstanta Rs R_s Rs má komplexní teplotní závislost a znaménka RRR a Rs R_s Rs se nemusí shodovat. Anomální Hallův jev je způsoben interakcí spin-orbita, která vede k asymetrickému rozptylu nosičů náboje v magnetech. V silných magnetických polích v plochých vodičích (kvazi-dvourozměrné systémy) se objevují kvantové rysy chování nosičů náboje (kvazi-dvourozměrný elektronový plyn) – vzniká kvantový Hallův jev. S dalším nárůstem magnetického pole se restrukturalizace elektronového systému stává natolik silnou, že vede k tzv. frakčnímu kvantovému Hallovu jevu.
Lineární závislost Hallova pole na HHH se používá k měření intenzity magnetického pole (Hallovy senzory). Hallův jev se používá k násobení stejnosměrných proudů v analogových počítačích, v měřicích zařízeních atd.
Publikováno 29. května 2024 v 13:00 (GMT+3). Naposledy aktualizováno 29. května 2024 v 13:00 (GMT+3). Kontaktujte redakci
Oblasti odbornosti: Elektrické vlastnosti kondenzovaných látek
- Vědecký a vzdělávací portál „Velká ruská encyklopedie“
Vytvořeno s finanční podporou Ministerstva digitálního rozvoje, komunikací a masových komunikací Ruské federace.
Osvědčení o registraci hromadných sdělovacích prostředků EL č. FS77-84198, vydané Federální službou pro dohled nad komunikacemi, informačními technologiemi a hromadnými komunikacemi (Roskomnadzor) dne 15. listopadu 2022.
ISSN: 2949-2076 - Zakladatel: Autonomní nezisková organizace „Národní vědecké a vzdělávací centrum „Velká ruská encyklopedie“
Šéfredaktor: Kravets S.L.
Telefon redakce: +7 (495) 917 90 00
E-mailem Redakční e-mail: [email protected]
- © ANO BRE, 2022 – 2025. Všechna práva vyhrazena.
- Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv. - Podmínky použití informací. Veškeré informace zveřejněné na tomto portálu jsou určeny pouze pro osobní potřebu a nejsou předmětem další reprodukce.
Mediální obsah (ilustrace, fotografie, videa, zvukové materiály, mapy, naskenované obrázky) lze použít pouze se svolením držitelů autorských práv.