Американският учен Едуин Хол през 1879 г. открива, че в проводник, поставен в магнитно поле, възниква потенциална разлика в посока, перпендикулярна на тока I и вектора на магнитната индукция B. Този ефект възниква поради действието на силата на Лоренц върху движещите се заряди в този проводник.
Фигурата по-долу показва тънка плоча, проникната от магнитно поле с индукция B, насочена перпендикулярно на чертежа, като линиите на индукция са насочени встрани от зрителя и излизат отвъд чертежа (показано като кръст):
За посоката на тока I се взема посоката на движение на положителните заряди, за които посоката на вектора на скоростта V и тока I съвпадат (Фигура а)). За отрицателни заряди векторите на тока и скоростта са насочени в противоположни посоки (Фигура b)). Прилагайки правилото на лявата ръка, лесно е да се уверите, че силата на Лоренц и в двата случая ще бъде насочена към горната (на фигурата) страна на плочата.
Ефектът на Хол се наблюдава в полупроводници и метали. За полупроводници от n-тип, както и за метали, където електроните са носители на заряд, излишъкът от отрицателен заряд ще се натрупа в горната част на плочата, а в долната страна няма да има електрони и тя ще стане положително заредена, както е показано на фигурата по-долу (a )):
Резултатът от това е възникването на потенциална разлика между горната и долната повърхност на проводника U n.
За p-тип полупроводници, чиито носители на заряд са положително заредени дупки, горната повърхност (фигура по-горе) придобива положителен заряд в магнитно поле, а долната страна придобива отрицателен заряд (фигура b)). При изучаване на разпределението на зарядите може да се определи естеството на проводимостта (електронна или дупка) на полупроводника. Също така, в процеса на изследване на ефекта на Хол беше установено, че някои метали имат смесена електронно-дупкова проводимост. В такива метали, поради факта, че дупките имат по-голяма подвижност, разпределението на зарядите между горната и долната повърхност ще бъде същото като в полупроводниците от тип p.
Тъй като векторът на тока I е перпендикулярен на скоростта V на движение на зарядите и магнитното поле B, изразът за силата на Лоренц ще бъде:
Зарядите, които се натрупват върху долната и горната повърхност на плочата, създават електрическо поле с интензитет E, което ще действа върху зарядите със сила:
Когато се установи стационарно разпределение на зарядите в напречното сечение на проводника, тези две сили се балансират взаимно, т.е. F l \u003d F el, следователно:
Където: q е зарядът на частицата, n е броят на частиците в единица обем, V е скоростта на тяхното движение.
Нека намерим скоростта:
Заместваме този израз във формула (1):
Потенциалната разлика между долната и горната повърхност с разстоянието между тях d ще бъде равна.
Ефектът на Хол принадлежи към групата на галваномагнитните явления и се състои в това, че под въздействието на магнитно поле, перпендикулярно на електрическия ток, електроните в материала се отклоняват перпендикулярно както на посоката на електрическия ток, така и на магнитното поле. С помощта на ефекта на Хол стана възможно да се разбере същността на процесите на проводимост в полупроводниците и да се начертае граница между полупроводниците и други видове слабо проводими материали. Това се дължи на факта, че измерването на EMF (потенциалната разлика) на Хол, което се случва в материала, перпендикулярен на посоката на електрическия ток и външното магнитно поле, позволява директно определяне на концентрацията и знака на носители на заряд. Последното дава възможност да се определи дали материалът принадлежи към един или друг вид полупроводник (p или n-тип). Измерванията на ефекта на Хол правят възможно отделянето на случая на йонна проводимост от случая на електронна проводимост. Наличието на ефекта на Хол в проводниците и полупроводниците показва електронния характер на проводимостта. С помощта на ефекта на Хол също е възможно да се получат данни за подвижността на носителите на заряд (т.нар. подвижност на "Хол"). По този начин можем да предположим, че ефектът на Хол е един от най-ефективните методи за изследване на електрическите свойства на полупроводниковите материали.
Този ефект е открит от Е. Хол през 1879 г. Същността на явлението е следната. Ако метална или полупроводникова пластина, през която преминава токът, се постави в магнитно поле, насочено перпендикулярно на токовите линии (фиг. 5), тогава в нея възниква потенциална разлика в посока, перпендикулярна на тока и магнитното поле.
Ефектът се основава на взаимодействието между електрически заряди и магнитни полета. Всяка заредена частица, движеща се в магнитно поле, изпитва действието на силата на Лоренц, чиято посока е перпендикулярна на посоката на движение на частиците и посоката на магнитното поле. Големината на тази сила е право пропорционална на големината на заряда р, скорост на частиците vи индукция на магнитно поле:
За метали и за полупроводници н-Тип р = -|e| , където |e|-модул за електронен заряд.
Модул за кръстосани продукти:
(0.2)
При
Ориз. 5. Схема на възникване на ефекта на Хол в n-тип полупроводник.
Да кажем, че магнитното поле е насочено строго перпендикулярно на вектора на скоростта на частицата. Тоест ъгълът α между векторите и е равен на 90 0 и sin(90 0)=1 Тогава:
Под действието на силата на Лоренц електроните се отклоняват към най-близката странична повърхност на плочата на фиг. 5 и го заредете отрицателно. Некомпенсираният положителен заряд на йоните на кристалната решетка остава на противоположната страна. В резултат на това в плочата възниква напречно електрическо поле, насочено от далечната страна към близката. Нека означим силата на генерираното електрическо поле чрез . Силата, действаща от страната на електрическото поле върху заряда, е насочена в посока, обратна на посоката на силата на Лоренц (фиг. 5). В резултат на това напречна потенциална разликаU х Наречен Hall emf.
Разделянето на зарядите в пробата продължава, докато силите на магнитното и електрическото поле се балансират взаимно, т.е.
Къде намираме:
Считаме полето, образувано в плочата, за хомогенно. Тогава намираме:
където д е дебелината на плочата по посока на полето E x (фиг. 5).
Като вземем предвид израз (3), получаваме, че:
Силата на тока, протичащ през единица повърхност на пробата, т.е. плътността на тока, е равна на:
И модулът на израз (5.1) се намира като:
където n е броят на токоносителите на единица обем на пробата (концентрацията на токоносителите).
От друга страна, модулът на вектора на плътността на тока се определя като, където S е площта на напречното сечение на плочата, перпендикулярна на посоката. Тогава:
където а- ширината на плочата по посока на вектора фиг. 5.
Сравнявайки формули (5.2) и (5.3), намираме:
Изразявайки от (5.4) скоростта на електрона v, намираме:
Замествайки (6) в (5), получаваме:
(7)
Да обозначим къде Р х е константата или коефициентът на Хол.(Конвенционално се смята, че знакът на константата на Хол съвпада със знака на заряда на токоносителите. За електронните полупроводници константата Ротрицателен, за дупка-положителен, където стре концентрацията на дупки).
Тогава израз (7) се записва като:
(8)
По този начин ЕДС на Хол зависи от големината на преминаващия ток, индукцията на магнитното поле, ширината на плочата и концентрацията на носители на заряд. Зависимостта от концентрацията показва, че в металите ЕМП на Хол е много по-нисък в сравнение с полупроводниците и следователно използването на ефекта на Хол започва само с използването на полупроводници.
При извеждане на формула за Uпредположихме, че всички носители на заряд имат еднаква скорост. Ако вземем предвид разпределението на носителите на заряд по скорости, тогава е необходимо да се въведе числов фактор а,различен от единството:
където НОе константа в зависимост от механизма на разсейване на носителите на заряд: НО=1,93 ... 0,99. На практика за повечето метали може да се вземе предвид A≈1.
Когато електроните се разпръскват от топлинни вибрации на решетката:
Къде получаваме:
,(8.1)
Визуална илюстрация на ефекта на Хол в полупроводници с n-тип и p-тип проводимост е показана на фиг. 6 а), б). В сравнение с фигура 5, тук плочата е обърната под ъгъл към наблюдателя около оста.
Ориз. 6. Ефект на Хол в полупроводници с n-проводимост а) и p-проводимост б)
Ефектът на Хол е открит през 1879 г. от американския учен Едуин Хърбърт Хол. Същността му е следната (виж фигурата). Ако ток преминава през проводяща плоча и магнитното поле е насочено перпендикулярно на плочата, тогава върху плочата ще се появи напрежение в посока, напречна на тока (и посоката на магнитното поле): Uh = (RhHlsinw )/d, където Rh е коефициентът на Хол в зависимост от материала на проводника; H е силата на магнитното поле; I - ток в проводника; w е ъгълът между посоката на тока и вектора на индукция на магнитното поле (ако w = 90°, sinw = 1); d е дебелината на материала.
Поради факта, че изходният ефект се определя от произведението на две величини (H и I), сензорите на Хол имат много широко приложение. Таблицата показва коефициентите на Хол за различни метали и сплави. Обозначения: Т - температура; B - магнитен поток; Rh - коефициент на Хол в единици m3 / C.
Безконтактните ключове, базирани на ефекта на Хол, се използват широко в чужбина от началото на 70-те години. Предимствата на този ключ са висока надеждност и издръжливост, малки размери, а недостатъците са постоянна консумация на енергия и относително висока цена.
Принципът на работа на генератора на Хол
Сензорът на Хол има дизайн на слот. От едната страна на слота има полупроводник, през който протича ток при включено запалване, а от другата страна има постоянен магнит.
В магнитно поле движещите се електрони се влияят от сила. Векторът на силата е перпендикулярен на посоката както на магнитната, така и на електрическата компонента на полето.
Ако полупроводникова плоча (например от индиев арсенид или индиев антимонид) се въведе в магнитно поле с индукция B, през което протича електрически ток, тогава възниква потенциална разлика от страните, перпендикулярни на посоката на тока. Напрежението на Хол (ЕМП на Хол) е пропорционално на тока и магнитната индукция.
Има празнина между плочата и магнита. В пролуката на сензора има стоманен екран. Когато в междината няма екран, тогава върху полупроводниковата плоча действа магнитно поле и потенциалната разлика се премахва от нея. Ако в празнината има екран, тогава магнитните силови линии се затварят през екрана и не действат върху плочата; в този случай потенциалната разлика не възниква върху плочата.
Интегрираната микросхема преобразува потенциалната разлика, създадена върху плочата, в импулси на отрицателно напрежение с определена стойност на изхода на сензора. Когато екранът е в пролуката на сензора, тогава ще има напрежение на неговия изход, но ако няма екран в пролуката на сензора, тогава напрежението на изхода на сензора е близо до нула.
За ефекта на Хол е писано много, този ефект се използва интензивно в технологиите, но учените продължават да го изучават. През 1980 г. немският физик Клаус фон Клицунг изследва действието на ефекта на Хол при свръхниски температури. В тънка полупроводникова плоча фон Клицунг плавно промени силата на магнитното поле и установи, че съпротивлението на Хол не се променя плавно, а скача. Големината на скока не зависи от свойствата на материала, а е комбинация от фундаментални физически константи, разделени на постоянно число. Оказа се, че законите на квантовата механика по някакъв начин променят природата на ефекта на Хол. Това явление се нарича интегрален квантов ефект на Хол. За това откритие фон Клицунг получава Нобелова награда за физика през 1985 г.
Две години след откритието на von Klitzung в лабораторията Bell Telephone (същата, в която е открит транзисторът), Stormer и Tsui изучават квантовия ефект на Хол, използвайки изключително чиста, голяма проба от галиев арсенид, направена в същата лаборатория. Пробата има толкова висока степен на чистота, че електроните преминават от край до край, без да срещат препятствия. Експериментът на Stormer и Tsui се проведе при много по-ниска температура (почти абсолютна нула) и с по-силни магнитни полета от експеримента на von Klitzung (милион пъти по-високи от).
За тяхна голяма изненада, Stormer и Tsui откриха скок в съпротивата на Hall три пъти по-голяма от тази на von Klitzung. След това установиха още по-големи скокове. Получи се същата комбинация от физически константи, но разделена не на цяло, а на дробно число. Зарядът на електрона се счита от физиците за константа, която не се дели на части. И в този експеримент като че ли участваха частици с дробни заряди. Ефектът се нарича фракционен квантов ефект на Хол.
Година след това откритие служител от лабораторията на Ла Флин дава теоретично обяснение на ефекта. Той заяви, че комбинацията от ултраниска температура и мощно магнитно поле кара електроните да образуват несвиваема квантова течност. Но фигурата, използвайки компютърна графика, показва потока от електрони (топки), пронизващи равнината. Неравностите на равнината представляват разпределението на заряда на един от електроните в присъствието на магнитно поле и заряда на други електрони. Ако електрон се добави към квантова течност, тогава се образуват определен брой квазичастици с частичен заряд (на фигурата това е показано като набор от стрелки за всеки електрон).
През 1998 г. Хорст Стормър, Даниел Цуи и Робърт Лафлин получават Нобелова награда за физика. В момента Х. Стормър е професор по физика в Колумбийския университет, Д. Цуи е професор в Принстънския университет, а Р. Лафлин е професор в Станфордския университет.
|
Метал (сплав) |
|||
|
Алуминий |
|||
|
Морганец-антимон |
|||
|
Хром телур |
Принципът на ефекта на Хол е една от най-популярните теории за измерване. Тази публикация ще обсъди ефекта на Хол, неговия принцип на работа, теоретично обяснение, формула, приложение, включително изчисления за напрежение на Хол, коефициент на Хол, концентрация на носители на заряд, подвижност на Хол и плътност на магнитното поле.
Принципът на ефекта на Хол обяснява поведението на носителите на заряд, когато са изложени на магнитни полета. Този принцип може да се разглежда като разширение, което е силата, действаща върху носители (електрони и дупки), преминаващи през магнитно поле.
Сензорите, които работят на този принцип, се наричат сензори на Хол. Тези сензори на Хол са много търсени и имат много широко приложение, като сензори за близост, превключватели, сензори за скорост на колелата, сензори за позиция и т.н.
История на ефекта на Хол
Принципът на ефекта на Хол е кръстен на американския физик Едуин Хол (1855–1938). За първи път е представен на света през 1879 г.
През 1879 г. той открива, че когато проводник/полупроводник с ток се постави перпендикулярно на магнитно поле, се генерира напрежение, което може да бъде измерено под прав ъгъл спрямо пътя на тока. През това време електрическият ток в жицата се смяташе за нещо като течаща течност в тръба.
Принципът на ефекта на Хол предполага, че магнитната сила в тока води до струпване в края на тръба или (жица). Електромагнитният принцип сега обяснява много по-добре науката зад ефекта на Хол. Теорията зад тази зала със сигурност беше много по-напред от времето си. Едва две десетилетия по-късно, с въвеждането на полупроводниците, работата и използването на ефекта на Хол бяха използвани добре.
Първоначално този принцип се използва за класифициране на химически проби. По-късно сензорите на Хол (използващи полупроводникови съединения на индиев арсенид) се превърнаха в източник за измерване на постоянно или статично магнитно поле, без да поддържат сензора в движение. След десетилетие през 60-те години на миналия век се появяват силициевите полупроводници. Това беше времето, когато елементите на Хол бяха комбинирани с вградени усилватели и по този начин превключвателят на Хол беше представен на света.
Как работи ефектът на Хол
Принципът на ефекта на Хол гласи, че когато проводник или полупроводник с ток, протичащ в една посока, се въведе перпендикулярно на магнитното поле, напрежението може да бъде измерено под прав ъгъл спрямо пътя на тока.
Ефектът от получаването на измеримо напрежение, както беше споменато по-горе, се нарича ефект на Хол.
Теорията зад принципа на ефекта на Хол
Преди всичко трябва да разберем какво е електрически ток. Електрическият ток е основно поток от заредени частици през проводящ път. Тези заредени частици могат да бъдат „отрицателно заредени електрони“ или дори „положително заредени дупки“ (кухини, където се предполага, че има електрони). А сега да минем на темата.
Ако вземем тънка проводяща плоча (както е показано по-горе на фиг. 1 и повторено по-долу за по-лесно четене) и я свържем към верига с батерия (източник на напрежение), токът ще започне да тече през нея. Носителите на заряд ще текат по права линия от единия край на плочата до другия край.
Тъй като носителите на заряд са в движение, те ще създадат магнитно поле. Сега, когато поставите магнит до плочата, неговото магнитно поле ще изкриви магнитното поле на носителите на заряд. Това ще наруши директния поток от носители на заряд. Силата, която нарушава посоката на потока носители на заряд, се нарича сила на Лоренц.
Поради изкривяване в магнитното поле на носителите на заряд, отрицателно заредените електрони ще бъдат отклонени към едната страна на плочата, а положително заредените дупки към другата страна. Ето защо ще се генерира потенциална разлика (наричана още напрежение на Хол) между двете страни на плочата, която може да бъде измерена с метър.
Този ефект е известен като ефект на Хол. Колкото по-силно е магнитното поле, толкова повече електрони ще бъдат отклонени. Това означава, че колкото по-висок е токът, толкова повече електрони ще бъдат отклонени. И колкото повече се отклоняват електроните, толкова по-голяма ще бъде потенциалната разлика между двете страни на плочата. Следователно можем да кажем, че:
- Напрежението на Хол е право пропорционално на електрическия ток и право пропорционално на приложеното магнитно поле.
Формула за ефект на Хол
Ето някои математически изрази, които се използват широко в изчисленията на ефекта на Хол:
Напрежение на Хол
Напрежението на Хол е представено от V H . Формула за напрежение на Хол:
аз— Ток, протичащ през сензора
б— сила на магнитното поле
р- зареждане
не броят на носителите на заряд за единица обем
д— дебелина на сензора
Коефициент на Хол
Той е представен от R H . Формулата за коефициента на Хол (R H) е 1/(qn). Коефициентът на Хол (RH) е положителен, ако броят на положително заредените дупки е по-голям от броя на отрицателно заредените електрони. По същия начин коефициентът на Хол (RH) е отрицателен, ако броят на електроните с отрицателен заряд е по-голям от броя на дупките с положителен заряд.
Концентрация на носители на заряд
Концентрацията на електрони в носителя на заряда се означава с "n", а "дупки" - с "p". Математически израз за концентрацията на носители на заряд:
Зала мобилност
Подвижността на Хол за електрони е представена като " μn", а за дупки - като " стр". Математически израз за мобилността на Хол:
μn— електропроводимост, дължаща се на електрони
стр- проводимост поради дупки
Плътност на магнитния поток
Плътността на магнитния поток се обозначава с буквата "B". Формула за плътност на магнитния поток:
Прилагане на принципа на ефекта на Хол
Принципът на ефекта на Хол се използва в:
- Апаратура за измерване на магнитно поле.
- Умножител на приложението за осигуряване на действително умножение.
- Тестер с ефект на Хол за измерване на постоянен ток.
- Измерване на фазов ъгъл. Например - при измерване на ъгловото положение на коляновия вал, за да изравните точно ъгъла на запалване на свещите
- Сензори за линейни или ъглови премествания. Например, за определяне на позицията на автомобилните седалки и предпазните колани и действа като ключалка за управление на въздушната възглавница.
- Сензори за близост.
- Сензори с ефект на Хол
- Да се определи скоростта на въртене на колелото и съответно помощта на антиблокиращата спирачна система (ABS).
Как ефектът на Хол може да се използва за определяне на вида на използвания полупроводник?
Коефициентът на Хол казва всичко. Ако коефициентът на Хол е отрицателен, това означава, че повечето носители на заряд са електрони. И тъй като броят на електроните е по-голям в сравнение с дупките в n-тип полупроводници, това ясно показва, че тестваният полупроводник е n-тип. По същия начин, ако коефициентът на Хол е положителен, това означава, че дупките са основните носители на заряд. И тъй като броят на дупките е по-голям в сравнение с електроните в p-тип полупроводници, това ясно показва, че тестваният полупроводник е p-тип.
Ефектът на Хол е феноменът на появата на потенциална разлика в краищата на метална плоча под въздействието на магнитно поле, когато през него преминава електрически ток. Днес се използва в клавиатури, перални, автомобили. Интересна статия за
История на откриването на ефекта
Малко се знае за откритието на Едуин Хол за такъв специфичен ефект. По някаква причина такова значимо събитие не се обсъжда в литературата. Разделът за сензорите на Хол споменава, че Едуин е направил ключови наблюдения по време на докторската си степен от университета Джон Хопкинс в Балтимор. Събитието се случи през 1879 г. Това е всичко, което може да се намери в литературата по въпроса за произхода на великото откритие.
Споменава се източник, който не е толкова дискутиран. Това е бележка от 19 ноември в есенния American Journal of Mathematics, 1879 (том 2, номер 3). Едуин казва на страници 287-292 от изданието:
„През последната година изучавах много „Електричество и магнетизъм“ на Максуел, лекции на професор Роуланд. Отделни редове докоснаха вниманието! „Необходимо е внимателно да се отбележи фактът, че силата, действаща върху проводник с ток, разположен напречно на линиите на магнитно поле, се прилага директно върху материала. И ако приложите напрежение към диск или течност, материалът ще започне да се движи послушно на въздействието, упражнено в пълна степен, като естеството на движението може да бъде в съответствие с формата на електрическия ток или да бъде в дисонанс с него. Върху поток от заредени частици действа постоянна магнитна сила. Ако токът можеше да избере път през дебелината на материала, тогава след известно време той би се върнал към предишната си траектория. Единствената истинска движеща сила е ЕМП на източника.“
На младия учен му хрумнало, че репликите директно противоречат на определени вече известни явления. Поради простата причина, че силата, действаща върху проводник с ток, зависи от скоростта на потока на зарядите. Обратно, формата и конфигурацията на материала стават малко важни. От своя страна взаимодействията между зарядите се обясняват с тяхната големина и знак, което е известно още от времето на Шарл Кулон.
След работата на Максуел Едуин Хол се натъква на бележката на професор Едлунд, озаглавена „Еднополярна индукция“ (Annales de Chemie et de Physique, януари 1879 г.). Текстът доказва факта, че магнитът действа върху неподвижен проводник с ток със същата сила, както върху свободно окачен. Хол препрати въпроса към професор Роуланд и получи в отговор съобщение за заетостта на експерта в момента. Едуин разполагаше с гатанка, достойна за размисъл. Заедно с професор Хол той разработи експерименталната методология:
Ако токът не поддържа постоянен път през проводника под въздействието на магнитно поле, плътността на заряда от едната страна ще стане по-висока. Което естествено ще увеличи съпротивлението на проводника. Следователно остава да се използва за проверка на хипотезата.
За осъществяване на експеримента беше избрана плоска спирала от никелово-сребърна жица (с диаметър около половин милиметър) (наподобяваща намотка на Тесла по форма) с общо съпротивление 2 ома, поставена между две дебели гумени уплътнения. Решено е листът да бъде поставен между двата полюса на магнит с голяма площ. Така че линиите на напрегнатостта на полето във всяка точка са перпендикулярни на посоката на протичане на тока. Електромагнитът се захранва от 20 бунзенови елемента, свързани в 4 последователни вериги в 5 клона. Получената сила надвишава хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята с десетки хиляди пъти.
Като сензор е използван измервателен мост на Уитстоун, по диагонала на който е включен галванометър, проектиран от лорд Келвин. Техническото решение, по предварителни данни, регистрира промяна в съпротивлението на спиралата в една милионна от общата стойност. От 7 октомври до 11 октомври Едуин Хол прави 13 експеримента, всеки от които се състои от 40 измервания:
- Измерване на съпротивление с включения магнит.
- По същия начин с изключен магнит.
- P. 1 с промяна на полярността на линиите на магнитното поле.
- Повтаря точка 2.
Измерванията показват, че магнитното поле е в състояние да намалява и увеличава съпротивлението. Максималното увеличение беше петнадесет стотни, средната стойност според резултатите от експериментите се оказа много по-малка (пет милионни). Стана ясно, че предприетите действия не са достатъчни, за да се направят определени твърдения. Очевидно токът едва ли се разпознава като несвиваемо вещество, както се смяташе досега. Беше необходимо да се разбере защо резултатите от първите експерименти са толкова различни по отношение на стойността и посоката на промяна на съпротивлението.
Първият сензор на Хол
Първият сензор на Хол е проектиран от професор Роуланд. В същия вид, в който устройството се използва днес. Виждайки, че експериментите на Едуин (и неговите собствени) не доведоха до резултат, лекторът предложи стар модел на експеримент, направен преди години (описан е дизайнът на сензора на Хол):
- В електрическата верига е включен проводящ диск (или плоча с друга форма).
- С помощта на галванометър се намират две еквипотенциални точки отстрани на фигурата.
- Включва се електромагнит, чиито линии на полето лежат в равнина, перпендикулярна на диска.
- Промените в показанията на галванометъра се записват.
Трябваше да открие признаци на промени, когато условията за текущия поток се променят. Експериментът използва сензора на Хол в сегашния му дизайн, но експериментът се провали. Общоприето е, че причината е твърде голямата дебелина на диска. Професорът обърнал внимание на това на Едуин и предложил, че ситуацията може да се коригира с помощта на тънък златен лист, монтиран върху стъклена основа (за да се предотврати деформирането на метала от полето). Експериментът, проведен на 28 октомври, беше напълно успешен, беше възможно да се фиксира стабилно отклонение на иглата на галванометъра под действието на магнитно поле върху плоча с ток.
И въпреки че движението се оказа постоянно, бързо изчезна, не можеше да се припише на (от експериментите на Фарадей). Грешката, въведена от полето на електрическите соленоиди, беше бързо отстранена. Явно имаше отвор на хоризонта. Забележително е, че когато полярността на магнита се промени, ефектът беше обърнат. За да се установят количествени зависимости, апаратът беше леко подобрен:
- Силен контакт на източника на захранване беше осигурен от всяка страна с месингови пластини, добре полирани и внимателно запоени със злато (9x2 cm).
- В центъра остана чист метал: площ с дължина 5,5 cm и по цялата ширина. Тук линиите на магнитното поле преминават през златото.
- Контактите на високоомния галванометър на Thomson пасват по краищата, на еднакво разстояние от месинговите плочи.
По време на експеримента са измерени магнитното поле на соленоидите, токовете през плочата и галванометъра. Резултатът беше представен под формата на таблица, показана на фигурата, показваща, че Едуин Хол успя да получи първите закономерности. Това се случи на 12 ноември 1879 г. Въпреки че изразът вдясно има стойности, които се различават с 8%, е ясно, че редът на числата е същият. И ще отдадем отклоненията на грешките на експериментаторите и оборудването.
Точните стойности не винаги са важни. Днес сензорите на Хол се използват активно като индикатори за отсъствие или наличие на магнитно поле. Например в клавиатури или двигатели на перални машини.
Приложение на ефекта на Хол в практиката
Вече беше казано (вижте), че първите индустриални приложения на ефекта на Хол са намерили своето място в живота през втората половина на 20 век. Днес малко повече от половината дял в сегмента е в автомобилната индустрия. По-точно, напредналите технологии в други области идват оттам. Например ASIC и ASSP модули. Водещата роля за десетите години на XXI век принадлежи на компанията Asahi Kasei Microsystems (AKM), която доставя компаси за мобилни устройства, базирани на ефекта на Хол. Сред индустриалните гиганти отбелязваме Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Сред сензорите за магнитно поле тези, базирани на ефекта на Хол, заемат почетен дял от 87%.
Често сензорът е включен в микросхемата. Историческият предшественик е серията CMOS. Въз основа на него са произведени сензори, интегрирани в кристала, за измерване на ъгъла на дроселната клапа, волана, скоростта на въртене на разпределителния и коляновия вал. Значението на технологията в работата е широко, където според ъгловото положение на ротора е необходимо да се превключват намотките по определен начин. Силата на полето се измерва от най-новите 3D сензори, които определят ъгловата и линейна позиция на магнитната система. Преди това беше записан самият факт на присъствието или отсъствието на обект в зрителното поле. Това е необходимо, за да се конкурира успешно с магниторезистивната технология.
Днес програмируемите структури се считат за последна мода, където различни функции се въвеждат чрез код. Сензорите могат да се използват по различни начини. Например според относителната позиция на чувствителната зона и магнита се разграничават следните режими:
- Фронтален. В този случай магнитът е точно срещу сензора, отдалечава се от него или се приближава към него по права линия. Полето зависи квадратично от разстоянието, а законът на изходния сигнал върху диапазона прилича на хипербола. Такъв режим се нарича еднополюсен, напрежението не може да промени посоката си.
- приплъзване. В този случай има известна празнина между чувствителната зона и магнита. Тази координата остава непроменена. И магнитът може да се плъзга успоредно на сензора по една ос. Полето в този случай не се променя и зависимостта на изходния сигнал от координатата е близка до разпределението на Гаус. Посоката на напрежението не се променя, поради което режимът се нарича още еднополюсен.
- биполярно приплъзване. Понякога трябва да разберете в каква посока се е отклонил магнитът. И не само за определяне на разстоянието. В този случай се използва магнит с форма на подкова. Съответно полюсите предизвикват реакции с различна полярност. Това даде името на режима.
Тези режими понякога се използват в комбинация. Например, когато се изисква точно позициониране на магнита спрямо сензорите (с помощта на задвижващи механизми), чувствителността на оборудването се увеличава чрез стръмна характеристика на зависимостта на изходния сигнал от координатите. Използват се три лентови магнита с редуващи се полюси. Екстремните спускания на графиката са леки, а централния връх е ясно изразен. Какво се постига с точното позициониране на системата.
За укрепване на линиите на напрежение, за да се даде ясно определена посока, се използват полюсни накрайници. Това са парчета метал, изработени от меки феромагнитни сплави. Когато магнитът се приближи, линиите започват да се насочват към мястото, образувайки празнина, където остават прави. Ако поставите там сензор на Хол, чувствителността на системата се увеличава значително. За подобна цел се използват подмагнитни магнити, които остават на място и не предизвикват самостоятелна работа. С приближаването на движещата се част плътността на магнитното поле рязко нараства. Това опростява работата и намалява изискванията за чувствителност на сензора.
Добавяме, че според структурата на изходния сигнал сензорите са аналогови и цифрови. В последния случай системата лесно се свързва с автоматизацията и измереният сигнал вече не губи своята точност, като се прехвърля за обработка.
