Hallův jev – princip činnosti a vlastnosti článku
halový efekt — je jev, ke kterému dochází, když elektrický proud prochází vodičem umístěným v magnetickém poli. Tento jev byl poprvé objeven americkým fyzikem Edmundem Hallem v roce 1879 a pojmenován po něm.
Princip Hallova jevu je založen na skutečnosti, že v přítomnosti magnetického pole jsou elektrony pohybující se ve vodiči vychylovány vlivem Lorentzovy síly. V důsledku této odchylky vzniká podél vodiče potenciálový rozdíl, který vede ke vzniku elektrického pole. Tento efekt lze využít pro měření magnetických polí a stanovení parametrů vodičů.
Mezi vlastnosti Hallova jevu patří závislost rozdílu potenciálu na hustotě proudu, indukci magnetického pole a vlastnostech materiálu vodiče. Hallův jev má navíc svou polaritu, která závisí na směru magnetického pole a typu vodiče.
Důležitou aplikací Hallova jevu je vytváření tzv Hallovy senzory. Používají se k měření a řízení magnetických polí v různých zařízeních a systémech, včetně počítačů, automobilů, lékařského vybavení a průmyslových strojů. Díky svým jedinečným vlastnostem a snadnému použití našel Hallův jev široké uplatnění v různých oblastech vědy a techniky.
Princip Hallova jevu a jeho vlastnosti
Základní princip Hallova jevu je následující. Když vodičem protéká elektrický proud, vzniká v něm siločára magnetického pole, která je kolmá na směr proudu. V přítomnosti vnějšího magnetického pole se tento efekt zesílí a na bočních stranách vodiče se objeví potenciálový rozdíl, kolmý na směr proudu a magnetické pole. Tento jev se nazývá Hallovo napětí.
Samotný potenciálový rozdíl lze měřit pomocí speciálních senzorů, jako jsou Hallovy senzory, které jej převádějí na elektrický signál, který umožňuje určit velikost a směr magnetického pole a také některé vlastnosti vodiče.
Z vlastností Hallova jevu stojí za zmínku jeho závislost na síle proudu, magnetické indukci a koncentraci nosných nábojů ve vodiči. Hallův jev má také praktické aplikace v různých oblastech včetně elektroniky a metrologie, kde se jeho vlastnosti využívají k vytváření a měření magnetických polí.
Vznik a princip Hallova jevu
Hallův jev poprvé objevil americký fyzik Edwin Hall v roce 1879. Podstatou jevu je vznik napětí vznikajícího ve směru příčného magnetického pole a příčného proudu při průchodu elektrického proudu vodičem.
Princip Hallova jevu je založen na interakci dvou fyzikálních jevů – elektrického a magnetického. Když elektrický proud prochází vodičem v magnetickém poli, jsou elektrony, které tvoří proud, vychylovány z přímočarého pohybu Lorentzovou silou. V důsledku této odchylky jsou elektrony posunuty na jednu stranu vodiče a kladné náboje na druhou.
V důsledku takového oddělení nábojů v příčném směru vzniká elektrické pole, které vyrovnává Lorentzovu sílu. Toto elektrické pole vytváří to, co se nazývá Hallovo napětí, které lze měřit.
| Aktuální směr | Směr magnetického pole | Směr Hallova napětí |
|---|---|---|
| Opačným směrem | Opačným směrem | Záporný směr (H-pozitivní) |
| Opačným směrem | Paralelní směr | Pozitivní směr (H-negativní) |
| Paralelní směr | Opačným směrem | Pozitivní směr (H-negativní) |
| Paralelní směr | Paralelní směr | Záporný směr (H-pozitivní) |
Hallův jev tedy umožňuje měřit různé parametry, jako je velikost magnetického pole, hustota proudu a pohyblivost náboje ve vodiči. Tento efekt má mnoho aplikací ve vědě a technice, jako jsou senzory magnetického pole, elektronika a zpracování signálu.
Hallův jev je nejběžnější metodou měření magnetického pole a Hallovy senzory jsou velmi oblíbené a mají mnoho moderních aplikací. Například je lze nalézt ve vozidlech jako snímače otáček kol a snímače polohy klikového nebo vačkového hřídele. Často se také používají jako spínače, MEMS kompasy, senzory přiblížení a tak dále. V tomto článku se podíváme na to, co je Hallův jev a jak fungují senzory na něm založené.
Dříve jsme na našem webu zkoumali různé projekty pro použití Hallových senzorů, z nichž nejoblíbenější jsou:
- připojení Hallova senzoru k mikrokontroléru AVR ATmega16;
- rychloměr pomocí aplikace Arduino a Android;
- projekt virtuální reality na Arduino Nano a zpracování;
- magnetická levitace pomocí Arduina;
- digitální rychloměr a počítadlo kilometrů na mikrokontroléru PIC.
Co je Hallův efekt?
Zde je experiment, který vysvětluje Hallův jev: Pokud máme tenkou vodivou desku, jak je znázorněno na obrázku, a způsobíme, že přes ni bude protékat proud, budou nosiče náboje proudit v přímce z jedné strany desky na druhou. .
Nyní, když na desku aplikujeme nějaké magnetické pole, narušíme dopředný tok nosičů náboje vlivem síly zvané Lorentzova síla. V tomto případě budou elektrony vychýleny na jednu stranu desky a kladné otvory budou vychýleny na druhou stranu desky. To znamená, že pokud měřidlo umístíme mezi další dvě strany, získáme nějaké napětí, které lze změřit.
Takže efekt produkce měřitelného napětí, jak jsme vysvětlili výše, se nazývá Hallův efekt po Edwinu Hallovi, který jej objevil v roce 1879.
Hallovy senzory
Hlavní Hallův prvek magnetických snímačů Hallova jevu obecně poskytuje velmi malé napětí, pouze několik mikrovoltů na gauss, takže tato zařízení jsou obvykle vyráběna s vestavěnými zesilovači s vysokým ziskem.
Existují dva typy Hallových senzorů: jeden poskytuje analogový a druhý digitální výstup. Analogový senzor se skládá z regulátoru napětí, Hallova prvku a zesilovače. Ze schématu zapojení vidíme, že výstupní signál snímače je analogový a úměrný výstupnímu signálu Hallova prvku nebo intenzitě magnetického pole. Tento typ snímačů je vhodný a používaný pro snímání přiblížení díky jejich spojitému lineárnímu výstupnímu signálu.
Na druhé straně digitální výstupní senzory poskytují pouze dva výstupní stavy: „ON“ nebo „OFF“. Senzory tohoto typu mají přídavný prvek, jak je znázorněno na schématech zapojení. Jedná se o Schmittův spouštěč, který poskytuje hysterezi nebo dvě různé prahové úrovně, takže výstup je buď vysoký nebo nízký.
Příkladem tohoto typu snímače je spínač Hallova efektu. Často se používají jako koncové spínače, například ve 3D tiskárnách a CNC strojích, a pro snímání a polohování v systémech průmyslové automatizace.
Mezi další moderní aplikace těchto senzorů patří měření otáček nebo otáček kola/rotoru za minutu a určování polohy klikového nebo vačkového hřídele v systémech motoru. Tyto snímače se skládají z Hallova prvku a permanentního magnetu, které jsou umístěny vedle ozubeného kotouče připevněného k otočné hřídeli.
Mezera mezi snímačem a zuby kotouče je velmi malá, takže pokaždé, když zub projde blízko snímače, změní se okolní magnetické pole, což způsobí vzestup nebo pokles výstupu snímače. Výstupem snímače je tedy obdélníkový signál, který lze snadno použít k výpočtu rychlosti otáčení rotujícího hřídele.