Efect Hall adiabatic negativ și pozitiv

Într-un fir purtător de curent plasat într-un câmp magnetic, o tensiune este indusă într-o direcție perpendiculară pe direcțiile curentului electric și ale câmpului magnetic. Fenomenul de apariție a unei astfel de tensiuni se numește efect Hall, iar tensiunea indusă în sine se numește tensiune Hall.

În 1879, fizicianul american Edwin Hall (1855-1938), în timp ce lucra la disertația sa, a descoperit un efect interesant. A luat o placă subțire de aur care transporta curent continuu și a plasat-o într-un câmp magnetic perpendicular pe planul plăcii. În acest caz, între marginile plăcii a apărut un câmp electric suplimentar. Mai târziu, acest fenomen a fost numit după descoperitor. Efectul Hall și-a găsit o aplicație largă: este folosit pentru a măsura inducerea unui câmp magnetic (senzori Hall), precum și pentru a studia proprietățile fizice ale materialelor conductoare (folosind efectul Hall, se poate calcula concentrația purtătorilor de curent și semnul lor).

Modul senzor cu efect de curent Hall ACS712 5A

Există două tipuri de purtători de curent electric - purtători pozitivi care se mișcă într-o direcție și purtători negativi care se mișcă în direcția opusă.

Purtătorii negativi care se deplasează într-o anumită direcție printr-un câmp magnetic experimentează o forță care tinde să-și devieze mișcarea dintr-o cale dreaptă. Purtătorii pozitivi care călătoresc în direcția opusă prin același câmp magnetic sunt deviați în aceeași direcție ca purtătorii negativi.

Ca urmare a unei astfel de abateri a tuturor purtătorilor de curent sub influența forțelor Lorentz pe aceeași parte a conductorului, se stabilește un gradient de populație de purtători, iar pe o parte a conductorului numărul de purtători pe unitate de volum va fi mai mare decât pe de altă parte.

Figura de mai jos ilustrează rezultatul general al acestui proces atunci când există un număr egal de transportatori de două tipuri.

Aici, gradienții potențiali generați de purtători de două tipuri sunt direcționați unul împotriva celuilalt, astfel încât influența lor nu poate fi detectată atunci când este observată din exterior. Dacă purtătorii de un tip sunt mai numeroși decât purtătorii de alt tip, atunci gradientul populației de purtători generează un potențial de gradient Hall, în urma căruia poate fi detectată tensiunea Hall aplicată firului.

Efect Hall negativ adiabatic. Dacă doar electronii sunt purtători de sarcină, atunci gradientul de temperatură și gradientul de potențial electric sunt în direcții opuse.

Efect Hall adiabatic. Dacă doar găurile sunt purtători de sarcină, atunci gradientul de temperatură și gradientul de potențial electric sunt în aceeași direcție

Dacă curentul prin fir sub influența tensiunii Hall este imposibil, atunci între de forțele Lorentz iar prin Hall se stabileşte echilibrul de tensiune.

În acest caz, forțele Lorentz tind să creeze un gradient de populație purtător de-a lungul firului, în timp ce tensiunea Hall tinde să restabilească o distribuție uniformă a populației pe tot volumul firului.

Puterea (tensiunea pe unitate de grosime) a câmpului electric Hall direcționat perpendicular pe direcțiile curentului d și a câmpului magnetic este determinată de următoarea formulă:

Fz = KzVJ,

unde K.z — coeficientul Hall (semnul și valoarea lui absolută pot varia semnificativ în funcție de condițiile specifice); B - inducția magnetică și J este densitatea curentului care curge în conductor (valoarea curentului pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale a conductorului).

Figura prezintă o foaie de material care conduce un curent puternic i atunci când capetele sale sunt conectate la o baterie. Dacă măsurăm diferența de potențial dintre laturile opuse, ne va da zero, așa cum se arată în figura din stânga. Situația se schimbă atunci când câmpul magnetic B este aplicat perpendicular pe curentul din foaie, vom vedea că între părțile opuse apare o diferență de potențial foarte mică V3 așa cum se arată în figura din dreapta.

Termenul „adiabatic” este folosit pentru a descrie condițiile în care nu există flux de căldură din exterior către sau dinspre sistemul în cauză.

Există straturi de material izolator pe ambele părți ale firului pentru a preveni fluxul de căldură și curent în direcția transversală.

Deoarece tensiunea Hall depinde de distribuția neuniformă a purtătorilor, ea poate fi menținută în interiorul corpului doar dacă energia este furnizată de la o sursă externă corpului.Această energie provine dintr-un câmp electric care creează un curent inițial în substanță. Într-o substanță galvanomagnetică se stabilesc doi gradienți de potențial.

Gradientul de potențial inițial este definit ca densitatea de curent inițială înmulțită cu rezistența substanței, iar gradientul de potențial Hall este definit ca densitatea de curent inițială înmulțită cu coeficientul Hall.

Deoarece acești doi gradienți sunt reciproc perpendiculari, putem considera suma vectorială a acestora, a cărei direcție va fi deviată cu un anumit unghi de la direcția curentului inițial.

Acest unghi, a cărui valoare este determinată de raportul dintre forțele câmpului electric orientat în direcția curentului și câmpul electric generat în direcția curentului, se numește unghi Hall. Poate fi pozitiv sau negativ în raport cu direcția curentului, în funcție de purtătorii dominanti - pozitivi sau negativi.

Senzor de proximitate cu efect Hall

Efectul Hall se bazează pe mecanismul de influență al unui purtător cu salinitate predominantă, care depinde de proprietățile fizice generale ale substanței conducătoare. Pentru metale și semiconductori de tip n, electronii sunt purtători, pentru semiconductori de tip p - găuri.

Sarcinile purtătoare de curent sunt deviate pe aceeași parte a firului ca și electronii. Dacă găurile și electronii au aceeași concentrație, ele generează două tensiuni Hall opuse. Dacă concentrațiile lor sunt diferite, atunci una dintre aceste două tensiuni Hall predomină și poate fi măsurată.

Pentru purtătorii pozitivi, tensiunea Hall necesară pentru a contracara deviațiile purtătorului sub influența forțelor Lorentz este opusă tensiunii corespunzătoare pentru purtătorii negativi. În metale și semiconductori de tip n, această tensiune poate chiar să-și schimbe semnul atunci când câmpul extern sau temperatura se schimbă.

Un senzor Hall este un dispozitiv electronic conceput pentru a detecta efectul Hall și a transforma rezultatele acestuia în date. Aceste date pot fi folosite pentru a porni și opri circuite, pot fi procesate de un computer și pot provoca diverse efecte furnizate de producătorul dispozitivului și de software.

În practică, senzorii Hall sunt microcircuite simple, ieftine, care utilizează câmpuri magnetice pentru a detecta variabile precum apropierea, viteza sau deplasarea unui sistem mecanic.

Senzorii Hall sunt fără contact, ceea ce înseamnă că nu trebuie să intre în contact cu niciun element fizic, pot genera un semnal digital sau analog, în funcție de design și scopul lor.

Senzorii cu efect Hall pot fi găsiți în telefoane mobile, dispozitive GPS, busole, hard disk-uri, motoare fără perii, linii de asamblare din fabrică, automobile, dispozitive medicale și multe gadget-uri Internet of Things.

Aplicație efect Hall: Senzori Hall și Măsurarea mărimilor magnetice