Adiabatický negatívny a pozitívny Hallov efekt

V vodiči s prúdom umiestnenom v magnetickom poli sa indukuje napätie v smere kolmom na smery elektrického prúdu a magnetického poľa. Fenomén výskytu takéhoto napätia sa nazýva Hallov jav a samotné indukované napätie sa nazýva Hallovo napätie.

V roku 1879 americký fyzik Edwin Hall (1855-1938) pri práci na svojej dizertačnej práci objavil zaujímavý efekt. Vzal tenkú zlatú platňu nesúcu jednosmerný prúd a umiestnil ju do magnetického poľa kolmého na rovinu platne. V tomto prípade sa medzi okrajmi dosky objavilo dodatočné elektrické pole. Neskôr bol tento jav po objaviteľovi pomenovaný. Hallov jav našiel široké uplatnenie: používa sa na meranie indukcie magnetického poľa (Hallove senzory), ako aj na štúdium fyzikálnych vlastností vodivých materiálov (pomocou Hallovho javu je možné vypočítať koncentráciu nosičov prúdu a ich znamenie).

Modul snímača Hallovho prúdu ACS712 5A

Existujú dva typy nosičov elektrického prúdu - kladné nosiče pohybujúce sa v jednom smere a záporné nosiče pohybujúce sa v opačnom smere.

Negatívne nosiče pohybujúce sa v určitom smere cez magnetické pole zažívajú silu, ktorá má tendenciu odkloniť ich pohyb od priamej dráhy. Pozitívne nosiče pohybujúce sa v opačnom smere cez rovnaké magnetické pole sú vychýlené v rovnakom smere ako negatívne nosiče.

V dôsledku takejto odchýlky všetkých nosičov prúdu pod vplyvom Lorentzových síl na rovnakú stranu vodiča sa vytvorí gradient populácie nosiča a na jednej strane vodiča bude počet nosičov na jednotku objemu väčší ako na druhej.

Obrázok nižšie znázorňuje celkový výsledok tohto procesu, keď existuje rovnaký počet nosičov dvoch typov.

Potenciálne gradienty generované nosičmi dvoch typov sú tu nasmerované proti sebe, takže ich vplyv nemožno pri pozorovaní zvonku zistiť. Ak sú nosiče jedného typu početnejšie ako nosiče iného typu, potom gradient populácie nosičov generuje potenciál Hallovho gradientu, v dôsledku čoho môže byť detekované Hallovo napätie aplikované na drôt.

Adiabatický negatívny Hallov efekt. Ak sú nosičmi náboja iba elektróny, potom teplotný gradient a gradient elektrického potenciálu smerujú v opačných smeroch.

Adiabatický Hallov efekt. Ak sú nosičmi náboja iba otvory, potom teplotný gradient a gradient elektrického potenciálu smerujú rovnakým smerom

Ak je prúd cez drôt pod vplyvom Hallovho napätia nemožný, potom medzi Lorentzovými silami a prostredníctvom Hallovho napätia sa vytvorí rovnováha.

V tomto prípade majú Lorentzove sily tendenciu vytvárať gradient populácie nosiča pozdĺž drôtu, zatiaľ čo Hallovo napätie má tendenciu obnoviť rovnomerné rozloženie populácie v celom objeme drôtu.

Sila (napätie na jednotku hrúbky) Hallovho elektrického poľa smerujúceho kolmo na smer d prúdu a magnetického poľa je určená nasledujúcim vzorcom:

Fz = KzVJ,

kde K.z — Hallov koeficient (jeho znamienko a absolútna hodnota sa môžu výrazne líšiť v závislosti od konkrétnych podmienok); B - magnetická indukcia a J je hustota prúdu tečúceho vo vodiči (hodnota prúdu na jednotku plochy prierezu vodiča).

Obrázok ukazuje list materiálu, ktorý vedie silný prúd i, keď sú jeho konce pripojené k batérii. Ak zmeriame potenciálny rozdiel medzi protiľahlými stranami, dostaneme nulu, ako je znázornené na obrázku vľavo. Situácia sa zmení, keď magnetické pole B pôsobí kolmo na prúd v plechu, uvidíme, že medzi protiľahlými stranami sa objaví veľmi malý potenciálny rozdiel V3, ako je znázornené na obrázku vpravo.

Termín „adiabatický“ sa používa na opis podmienok, pri ktorých nedochádza k tepelnému toku zvonku do alebo z posudzovaného systému.

Na oboch stranách drôtu sú vrstvy izolačného materiálu, ktorý zabraňuje toku tepla a prúdu v priečnom smere.

Keďže Hallovo napätie závisí od nerovnomerného rozloženia nosičov, môže sa vo vnútri tela udržiavať iba vtedy, ak je energia dodávaná z nejakého zdroja mimo tela.Táto energia pochádza z elektrického poľa, ktoré vytvára počiatočný prúd v látke. V galvanomagnetickej látke sú vytvorené dva potenciálne gradienty.

Počiatočný potenciálny gradient je definovaný ako počiatočná prúdová hustota vynásobená odporom látky a Hallov potenciálny gradient je definovaný ako počiatočná prúdová hustota vynásobená Hallovým koeficientom.

Keďže tieto dva gradienty sú navzájom kolmé, môžeme uvažovať ich vektorový súčet, ktorého smer sa bude o nejaký uhol odchyľovať od smeru pôvodného prúdu.

Tento uhol, ktorého hodnota je určená pomerom síl elektrického poľa orientovaného v smere prúdu a elektrického poľa vznikajúceho v smere prúdu, sa nazýva Hallov uhol. Môže byť pozitívny alebo negatívny vzhľadom na smer prúdu, v závislosti od toho, ktoré nosiče sú dominantné - pozitívne alebo negatívne.

Hallov senzor priblíženia

Hallov jav je založený na mechanizme vplyvu nosiča s prevládajúcou salinitou, ktorý závisí od všeobecných fyzikálnych vlastností vodivej látky. Pre kovy a polovodiče typu n sú elektróny nosičmi, pre polovodiče typu p - diery.

Náboje nesúce prúd sú vychýlené na rovnakú stranu drôtu ako elektróny. Ak majú diery a elektróny rovnakú koncentráciu, generujú dve opačné Hallove napätia. Ak sú ich koncentrácie rozdielne, potom jedno z týchto dvoch Hallových napätí prevažuje a možno ho merať.

Pre kladné nosiče je Hallovo napätie potrebné na pôsobenie proti vychýleniu nosiča pod vplyvom Lorentzových síl opačné ako zodpovedajúce napätie pre záporné nosiče. V kovoch a polovodičoch typu n môže toto napätie dokonca zmeniť znamienko, keď sa zmení vonkajšie pole alebo teplota.

Hallov senzor je elektronické zariadenie určené na detekciu Hallovho javu a konverziu jeho výsledkov na dáta. Tieto údaje môžu byť použité na zapínanie a vypínanie obvodov, môžu byť spracované počítačom a môžu spôsobiť rôzne efekty poskytované výrobcom zariadenia a softvérom.

V praxi sú Hallove senzory jednoduché, lacné mikroobvody, ktoré využívajú magnetické polia na detekciu premenných, ako je priblíženie, rýchlosť alebo posun mechanického systému.

Hallove senzory sú bezkontaktné, čo znamená, že nemusia prísť do kontaktu so žiadnymi fyzickými prvkami, môžu generovať digitálny alebo analógový signál v závislosti od ich konštrukcie a účelu.

Senzory Hallovho efektu možno nájsť v mobilných telefónoch, zariadeniach GPS, kompasoch, pevných diskoch, bezkomutátorových motoroch, výrobných montážnych linkách, automobiloch, lekárskych prístrojoch a mnohých zariadeniach internetu vecí.

Aplikácia Hallovho efektu: Hallove senzory a Meranie magnetických veličín