Adiabatisk negativ og positiv Hall-effekt

I en strømførende ledning plassert i et magnetfelt induseres en spenning i en retning vinkelrett på retningene til den elektriske strømmen og magnetfeltet. Fenomenet med utseendet til en slik spenning kalles Hall-effekten, og selve den induserte spenningen kalles Hall-spenningen.

I 1879 oppdaget den amerikanske fysikeren Edwin Hall (1855-1938), mens han arbeidet med sin avhandling, en interessant effekt. Han tok en tynn gullplate med likestrøm og plasserte den i et magnetfelt vinkelrett på platens plan. I dette tilfellet dukket det opp et ekstra elektrisk felt mellom kantene på platen. Senere ble dette fenomenet oppkalt etter oppdageren. Hall-effekten har funnet bred anvendelse: den brukes til å måle induksjonen av et magnetfelt (Hall-sensorer), samt for å studere de fysiske egenskapene til ledende materialer (ved å bruke Hall-effekten kan man beregne konsentrasjonen av strømbærere og deres tegn).

Hall strømeffektsensormodul ACS712 5A

Det er to typer elektriske strømbærere - positive bærere som beveger seg i én retning og negative bærere som beveger seg i motsatt retning.

Negative bærere som beveger seg i en bestemt retning gjennom et magnetfelt opplever en kraft som har en tendens til å avlede bevegelsen deres fra en rett bane. Positive bærere som beveger seg i motsatt retning gjennom det samme magnetfeltet, avbøyes i samme retning som negative bærere.

Som et resultat av et slikt avvik av alle strømbærere under påvirkning av Lorentz-krefter til samme side av lederen, etableres en bærerpopulasjonsgradient, og på den ene siden av lederen vil antall bærere per volumenhet være større enn på den andre.

Figuren nedenfor illustrerer det samlede resultatet av denne prosessen når det er like mange bærere av to typer.

Her er de potensielle gradientene generert av bærere av to typer rettet mot hverandre, slik at deres påvirkning ikke kan oppdages når de observeres fra utsiden. Hvis bærere av en type er flere enn bærere av en annen type, genererer bærerpopulasjonsgradienten et Hall-gradientpotensial, som et resultat av at Hall-spenningen påført ledningen kan detekteres.

Adiabatisk negativ Hall-effekt. Hvis bare elektronene er ladningsbærere, peker temperaturgradienten og den elektriske potensialgradienten i motsatte retninger.

Adiabatisk halleffekt. Hvis bare hullene er ladningsbærere, så peker temperaturgradienten og den elektriske potensialgradienten i samme retning

Hvis strømmen gjennom ledningen under påvirkning av Hall-spenningen er umulig, så mellom av Lorentz-styrker og gjennom Hall etableres spenningslikevekt.

I dette tilfellet har Lorentz-krefter en tendens til å skape en bærerpopulasjonsgradient langs ledningen, mens Hall-spenningen har en tendens til å gjenopprette en jevn populasjonsfordeling gjennom volumet av ledningen.

Styrken (spenning per enhet tykkelse) til det elektriske Hall-feltet rettet vinkelrett på d-strøm- og magnetfeltretningene bestemmes av følgende formel:

Fz = KzVJ,

hvor K.z — Hall-koeffisient (dets fortegn og absolutte verdi kan variere betydelig avhengig av de spesifikke forholdene); B - magnetisk induksjon og J er tettheten til strømmen som flyter i lederen (verdien av strømmen per enhet av tverrsnittsarealet til lederen).

Figuren viser et ark med materiale som leder en sterk strøm i når endene er koblet til et batteri. Måler vi potensialforskjellen mellom de motsatte sidene, vil det gi oss null, som vist i figuren til venstre. Situasjonen endres når magnetfeltet B påføres vinkelrett på strømmen i arket, vi vil se at det oppstår en svært liten potensialforskjell V3 mellom de motsatte sidene som vist i figuren til høyre.

Begrepet «adiabatisk» brukes for å beskrive forhold der det ikke er varmestrøm fra utsiden til eller fra det aktuelle systemet.

Det er lag med isolasjonsmateriale på begge sider av ledningen for å forhindre flyt av varme og strøm i tverrretningen.

Siden Hall-spenningen avhenger av ujevn fordeling av bærere, kan den bare opprettholdes inne i kroppen hvis energien tilføres fra en kilde utenfor kroppen.Denne energien kommer fra et elektrisk felt som skaper en startstrøm i stoffet. To potensielle gradienter etableres i et galvanomagnetisk stoff.

Den initiale potensialgradienten er definert som den initiale strømtettheten multiplisert med motstanden til stoffet, og Hall-potensialgradienten er definert som den initiale strømtettheten multiplisert med Hall-koeffisienten.

Siden disse to gradientene er gjensidig vinkelrett, kan vi vurdere vektorsummen deres, hvis retning vil avvikes med en vinkel fra retningen til den opprinnelige strømmen.

Denne vinkelen, hvis verdi bestemmes av forholdet mellom kreftene til det elektriske feltet orientert i strømmens retning og det elektriske feltet som genereres i strømmens retning, kalles Hall-vinkelen. Den kan være positiv eller negativ i forhold til strømmens retning, avhengig av hvilke bærere som er dominerende - positive eller negative.

Hall effekt nærhetssensor

Hall-effekten er basert på påvirkningsmekanismen til en bærer med overveiende saltholdighet, som avhenger av de generelle fysiske egenskapene til det ledende stoffet. For metaller og n-type halvledere er elektroner bærere, for p-type halvledere - hull.

De strømførende ladningene avledes til samme side av ledningen som elektronene. Hvis hull og elektroner har samme konsentrasjon, genererer de to motsatte Hall-spenninger. Hvis konsentrasjonene deres er forskjellige, dominerer en av disse to Hall-spenningene og kan måles.

For positive bærere er Hall-spenningen som kreves for å motvirke bærebølgenedbøyninger under påvirkning av Lorentz-krefter motsatt av den tilsvarende spenningen for negative bærere. I n-type metaller og halvledere kan denne spenningen til og med endre fortegn når det ytre feltet eller temperaturen endres.

En Hall-sensor er en elektronisk enhet designet for å oppdage Hall-effekten og konvertere resultatene til data. Disse dataene kan brukes til å slå kretser på og av, kan behandles av en datamaskin, og kan forårsake ulike effekter levert av enhetsprodusenten og programvaren.

I praksis er Hall-sensorer enkle, rimelige mikrokretser som bruker magnetiske felt for å oppdage variabler som tilnærming, hastighet eller forskyvning av et mekanisk system.

Hallsensorer er berøringsfrie, noe som betyr at de ikke trenger å komme i kontakt med noen fysiske elementer.De kan generere et digitalt eller analogt signal, avhengig av design og formål.

Hall-effektsensorer kan finnes i mobiltelefoner, GPS-enheter, kompasser, harddisker, børsteløse motorer, fabrikksamlebånd, biler, medisinsk utstyr og mange tings internett-dingser.

Halleffektapplikasjon: Hall sensorer og Måling av magnetiske størrelser