Ce condiții sunt necesare pentru observarea fenomenului Hall. Efectul Hall și aplicarea acestuia. Metoda de măsurare și descrierea echipamentului

Omul de știință american Edwin Hall a descoperit în 1879 că o diferență de potențial apare într-un conductor plasat într-un câmp magnetic în direcția perpendiculară pe curentul I și pe vectorul de inducție magnetică B. Acest efect a apărut datorită acțiunii forței Lorentz asupra sarcinilor aflate în mișcare. în acest dirijor.

Figura de mai jos prezintă o placă subțire pătrunsă de un câmp magnetic cu inducția B îndreptată perpendicular pe desen, cu liniile de inducție îndreptate departe de privitor și trecând dincolo de desen (prezentat ca o cruce):

Pentru direcția curentului I se ia direcția de mișcare a sarcinilor pozitive, pentru care direcția vectorului viteză V și curentul I coincid (Figura a)). Pentru sarcini negative, vectorii curent și viteză sunt direcționați în direcții opuse (Figura b)). Aplicând regula mâinii stângi, este ușor să vă asigurați că forța Lorentz în ambele cazuri va fi direcționată către fața superioară (în figură) a plăcii.

Efectul Hall este observat la semiconductori și metale. Pentru semiconductori de tip n, precum și pentru metalele în care electronii sunt purtători de sarcină, o sarcină negativă în exces se va acumula pe partea superioară a plăcii, iar fața de jos va lipsi electroni și va deveni încărcată pozitiv, așa cum se arată în figura de mai jos (a )):

Rezultatul este apariția unei diferențe de potențial între fețele superioare și inferioare ale conductorului U n.

Pentru semiconductori de tip p, ai căror purtători de sarcină sunt găuri încărcate pozitiv, fața superioară (figura de mai sus) capătă o sarcină pozitivă într-un câmp magnetic, iar fața inferioară capătă o sarcină negativă (figura b)). Când se studiază distribuția sarcinilor, se poate determina natura conductibilității (electronică sau gaură) a unui semiconductor. De asemenea, în procesul de studiu al efectului Hall, s-a constatat că unele metale au conductivitate mixtă electron-gaură. În astfel de metale, datorită faptului că găurile au o mobilitate mai mare, distribuția sarcinilor între fețele superioare și inferioare va fi aceeași ca la semiconductori de tip p.

Deoarece vectorul curent I este perpendicular pe viteza V a mișcării sarcinilor și a câmpului magnetic B, expresia forței Lorentz va fi:

Sarcinile care se acumulează pe fețele inferioare și superioare ale plăcii creează un câmp electric de putere E, care va acționa asupra sarcinilor cu o forță:

Când se stabilește o distribuție staționară a sarcinilor în secțiunea transversală a conductorului, aceste două forțe se echilibrează reciproc, adică F l \u003d F el, prin urmare:

Unde: q este sarcina particulei, n este numărul de particule pe unitatea de volum, V este viteza de mișcare a acestora.

Să găsim viteza:

Inlocuim aceasta expresie in formula (1):

Diferența de potențial dintre fețele inferioare și superioare cu distanța dintre ele d, va fi egală.

Efectul Hall aparține grupului de fenomene galvanomagnetice și constă în faptul că sub influența unui câmp magnetic perpendicular pe curentul electric, electronii din material sunt deviați perpendicular atât pe direcția curentului electric, cât și pe câmpul magnetic. Cu ajutorul efectului Hall, a devenit posibil să înțelegem esența proceselor de conducere în semiconductori și să trasăm o linie între semiconductori și alte tipuri de materiale slab conductoare. Acest lucru se datorează faptului că măsurarea EMF (diferența de potențial) din Hall, care are loc în material perpendicular pe direcția curentului electric și a câmpului magnetic extern, face posibilă determinarea directă a concentrației și semnului purtători de taxe. Acesta din urmă face posibilă determinarea dacă materialul aparține unuia sau altui tip de semiconductor (de tip p sau n). Măsurătorile efectului Hall fac posibilă separarea cazului conducției ionice de cazul conducției electronice. Prezența efectului Hall în conductori și semiconductori indică caracterul electronic al conducției. Cu ajutorul efectului Hall, se pot obține și date despre mobilitatea purtătorilor de sarcină (așa-numita mobilitate „Hall”). Astfel, putem presupune că efectul Hall este una dintre cele mai eficiente metode de studiere a proprietăților electrice ale materialelor semiconductoare.

Acest efect a fost descoperit de E. Hall în 1879. Esența fenomenului este următoarea. Dacă o placă metalică sau semiconductoare, prin care trece curentul, este plasată într-un câmp magnetic direcționat perpendicular pe liniile de curent (Fig. 5), atunci apare o diferență de potențial în ea în direcția perpendiculară pe curent și pe câmpul magnetic.

Efectul se bazează pe interacțiunea dintre sarcinile electrice și câmpurile magnetice. Orice particulă încărcată care se mișcă într-un câmp magnetic experimentează acțiunea forței Lorentz, a cărei direcție este perpendiculară pe direcția mișcării particulei și pe direcția câmpului magnetic. Mărimea acestei forțe este direct proporțională cu mărimea sarcinii q, viteza particulelor vși inducția câmpului magnetic:

Pentru metale și pentru semiconductori n- tip q = -|e| , Unde |e|- modul de încărcare a electronilor.

Modul încrucișat de produse:

(0.2)

La

Orez. 5. Schema apariției efectului Hall într-un semiconductor de tip n.

Să spunem că câmpul magnetic este îndreptat strict perpendicular pe vectorul viteză a particulei. Adică, unghiul α dintre vectori și este egal cu 90 0 și sin(90 0)=1 Atunci:

Sub acțiunea forței Lorentz, electronii sunt deviați către cea mai apropiată față laterală a plăcii din Fig. 5 și încărcați-l negativ. Sarcina pozitivă necompensată a ionilor rețelei cristaline rămâne pe fața opusă. Ca urmare, în placă ia naștere un câmp electric transversal, îndreptat de la fața laterală îndepărtată către cea apropiată. Să notăm puterea câmpului electric generat prin . Forța care acționează din partea câmpului electric asupra sarcinii este îndreptată în direcția opusă direcției forței Lorentz (Fig. 5). Ca rezultat al acestui lucru diferenta transversala de potentialU X numit Hall emf.

Separarea sarcinilor din probă continuă până când forțele câmpurilor magnetice și electrice se echilibrează reciproc, adică:

Unde găsim:

Considerăm că câmpul format în placă este omogen. Apoi găsim:

Unde d este grosimea plăcii în direcția câmpului E x (Fig. 5).

Ținând cont de expresia (3), obținem că:

Puterea curentului care curge printr-o suprafață unitară a probei, adică densitatea curentului, este egală cu:

Iar modulul de expresie (5.1) se găsește ca:

unde n este numărul de purtători de curent pe unitate de volum a probei (concentrația purtătorilor de curent).

Pe de altă parte, modulul vectorului de densitate de curent este definit ca, unde S este aria secțiunii transversale a plăcii perpendiculară pe direcția. Apoi:

Unde dar- lăţimea plăcii în direcţia vectorului fig. cinci.

Comparând formulele (5.2) și (5.3), găsim:

Exprimând din (5.4) viteza electronilor v, găsim:

Înlocuind (6) în (5), obținem:

(7)

Să notăm unde R X este constanta sau coeficientul Hall.(Se crede în mod convențional că semnul constantei Hall coincide cu semnul sarcinii purtătorilor de curent. Pentru semiconductori electronici, constanta R negativ, pentru orificiu-pozitiv, unde p este concentrația de găuri).

Atunci expresia (7) se scrie ca:

(8)

Astfel, FEM Hall depinde de mărimea curentului care trece, de inducția câmpului magnetic, de lățimea plăcii și de concentrația purtătorilor de sarcină. Dependența de concentrație indică faptul că în metale EMF Hall este mult mai scăzută în comparație cu semiconductori și, prin urmare, utilizarea efectului Hall a început doar cu utilizarea semiconductorilor.

La derivarea unei formule pentru U am presupus că toți purtătorii de încărcare au aceeași viteză. Dacă luăm în considerare distribuția purtătorilor de sarcină în funcție de viteze, atunci este necesar să introducem un factor numeric A, diferit de unitate:

Unde DAR este o constantă în funcție de mecanismul de împrăștiere a purtătorilor de sarcină: DAR=1,93 ... 0,99. În practică, pentru majoritatea metalelor, A≈1 poate fi considerat.

Când electronii sunt împrăștiați de vibrațiile termice ale rețelei:

De unde obținem:

,(8.1)

O ilustrare vizuală a efectului Hall în semiconductori cu conductivitate de tip n și tip p este prezentată în fig. 6 a), b). În comparație cu figura 5, aici placa este rotită într-un unghi față de observator în jurul axei.

Orez. 6. Efect Hall în semiconductori cu n-conductivitate dar) și p-conductivitate b)

Efectul Hall a fost descoperit în 1879 de omul de știință american Edwin Herbert Hall. Esența sa este următoarea (vezi figura). Dacă un curent trece printr-o placă conductivă și un câmp magnetic este direcționat perpendicular pe placă, atunci pe placă va apărea o tensiune în direcția transversală față de curent (și direcția câmpului magnetic): Uh = (RhHlsinw) )/d, unde Rh este coeficientul Hall, în funcție de materialul conductorului; H este puterea câmpului magnetic; I - curent în conductor; w este unghiul dintre direcția curentului și vectorul de inducție a câmpului magnetic (dacă w = 90°, sinw = 1); d este grosimea materialului.

Datorită faptului că efectul de ieșire este determinat de produsul a două mărimi (H și I), senzorii Hall au o aplicație foarte largă. Tabelul prezintă coeficienții Hall pentru diferite metale și aliaje. Denumiri: T - temperatura; B - flux magnetic; Rh - Coeficientul Hall în unități de m3/C.

Întrerupătoarele fără contact bazate pe efectul Hall au fost utilizate pe scară largă în străinătate încă de la începutul anilor '70. Avantajele acestui comutator sunt fiabilitatea și durabilitatea ridicate, dimensiunile mici, iar dezavantajele sunt consumul constant de energie și costul relativ ridicat.

Principiul de funcționare al generatorului Hall

Senzorul Hall are un design de slot. Pe o parte a slotului se află un semiconductor, prin care trece curentul când contactul este pornit, iar pe cealaltă parte este un magnet permanent.

Într-un câmp magnetic, electronii în mișcare sunt afectați de o forță. Vectorul forță este perpendicular pe direcția ambelor componente magnetice și electrice ale câmpului.

Dacă o placă semiconductoare (de exemplu, din arseniură de indiu sau antimoniură de indiu) este introdusă într-un câmp magnetic cu inducție B, prin care trece un curent electric, atunci apare o diferență de potențial pe părțile laterale, perpendiculară pe direcția curentului. Tensiunea Hall (Hall EMF) este proporțională cu curentul și inducția magnetică.

Există un spațiu între placă și magnet. Există un ecran de oțel în golul senzorului. Când nu există niciun ecran în gol, atunci un câmp magnetic acționează asupra plăcii semiconductoare și diferența de potențial este îndepărtată de pe aceasta. Dacă există un ecran în spațiu, atunci liniile magnetice de forță se închid prin ecran și nu acționează asupra plăcii; în acest caz, diferența de potențial nu apare pe placă.

Circuitul integrat convertește diferența de potențial creată pe placă în impulsuri de tensiune negative de o anumită valoare la ieșirea senzorului. Când ecranul se află în golul senzorului, atunci va exista tensiune la ieșire, dar dacă nu există niciun ecran în golul senzorului, atunci tensiunea la ieșirea senzorului este aproape de zero.

S-au scris multe despre efectul Hall, acest efect este utilizat intens în tehnologie, dar oamenii de știință continuă să-l studieze. În 1980, fizicianul german Klaus von Klitzung a studiat funcționarea efectului Hall la temperaturi foarte scăzute. Într-o placă semiconductoare subțire, von Klitzung a schimbat fără probleme puterea câmpului magnetic și a constatat că rezistența Hall nu se schimbă fără probleme, ci sare. Mărimea saltului nu depindea de proprietățile materialului, ci era o combinație de constante fizice fundamentale împărțite la un număr constant. S-a dovedit că legile mecanicii cuantice au schimbat cumva natura efectului Hall. Acest fenomen a fost numit efectul Hall cuantic integral. Pentru această descoperire, von Klitzung a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1985.

La doi ani după descoperirea lui von Klitzung la laboratorul Bell Telephone (același în care a fost descoperit tranzistorul), Stormer și Tsui studiau efectul cuantic Hall folosind o probă excepțional de pură și mare de arseniură de galiu făcută în același laborator. Eșantionul a avut un grad atât de ridicat de puritate încât electronii au trecut de la un capăt la altul fără a întâmpina obstacole. Experimentul lui Stormer și Tsui a avut loc la o temperatură mult mai scăzută (aproape zero absolut) și cu câmpuri magnetice mai puternice decât experimentul lui von Klitzung (de un milion de ori mai mare decât ).

Spre surprinderea lor, Stormer și Tsui au găsit un salt în rezistența lui Hall de trei ori mai mare decât a lui von Klitzung. Apoi au găsit salturi și mai mari. S-a obținut aceeași combinație de constante fizice, dar împărțite nu printr-un număr întreg, ci printr-un număr fracționar. Sarcina unui electron este considerată de fizicieni o constantă, nedivizibilă în părți. Și la acest experiment, parcă, au participat particule cu sarcini fracționale. Efectul a fost numit efectul Hall cuantic fracționat.

La un an de la această descoperire, angajatul din laboratorul lui La Flin a dat o explicație teoretică a efectului. El a afirmat că combinația dintre temperaturi ultra-scăzute și un câmp magnetic puternic face ca electronii să formeze un fluid cuantic incompresibil. Dar figura, folosind grafica pe computer, arată fluxul de electroni (bile) care străpunge avionul. Neregularitățile planului reprezintă distribuția sarcinii unuia dintre electroni în prezența unui câmp magnetic și a încărcăturii altor electroni. Dacă se adaugă un electron la un lichid cuantic, atunci se formează un anumit număr de cvasiparticule cu o sarcină fracțională (în figură, aceasta este prezentată ca un set de săgeți pentru fiecare electron).
În 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui și Robert Laughlin au primit Premiul Nobel pentru Fizică. În prezent, H. Stormer este profesor de fizică la Universitatea Columbia, D. Tsui este profesor la Universitatea Princeton, iar R. Laughlin este profesor la Universitatea Stanford.

Aliaj de metal)
Aluminiu
Morganets-antimoniu
Teluriu cromat

Principiul efectului Hall este una dintre cele mai populare teorii de măsurare. Această postare va discuta despre efectul Hall, principiul său de lucru, explicația teoriei, formula, aplicația, inclusiv calculele pentru tensiunea Hall, coeficientul Hall, concentrația purtătorului de sarcină, mobilitatea Hall și densitatea câmpului magnetic.

Principiul efectului Hall explică comportamentul purtătorilor de sarcină atunci când sunt expuși la câmpuri magnetice. Acest principiu poate fi considerat ca o expansiune, care este forța care acționează asupra purtătorilor (electroni și găuri) care trec printr-un câmp magnetic.

Senzorii care funcționează conform acestui principiu se numesc senzori Hall. Acești senzori de sală sunt la mare căutare și au o aplicație foarte largă, precum senzori de proximitate, comutatoare, senzori de viteză a roților, senzori de poziție și așa mai departe.

Istoria efectului Hall

Principiul efectului Hall a fost numit după fizicianul american Edwin Hall (1855–1938). A fost introdus pentru prima dată în lume în 1879.

În 1879, el a descoperit că atunci când un conductor/semiconductor purtător de curent este plasat perpendicular pe un câmp magnetic, se generează o tensiune care poate fi măsurată în unghi drept cu calea curentului. În acest timp, curentul electric din fir a fost considerat a fi ceva ca un lichid care curge într-o țeavă.

Principiul efectului Hall sugerează că forța magnetică a curentului duce la aglomerarea la capătul unei țevi sau (sârmă). Principiul electromagnetic explică acum mult mai bine știința din spatele efectului Hall. Teoria din spatele acestei săli a fost cu siguranță mult înaintea timpului său. Abia după două decenii, odată cu introducerea semiconductorilor, munca și utilizarea efectului Hall au fost puse în valoare.

Inițial, acest principiu a fost folosit pentru clasificarea probelor chimice. Mai târziu, senzorii Hall (folosind compuși semiconductori cu arseniură de indiu) au devenit o sursă pentru măsurarea unui câmp magnetic constant sau static fără a menține senzorul în mișcare. După un deceniu, semiconductorii de siliciu au apărut în anii 1960. Acesta a fost momentul în care elementele Hall au fost combinate cu amplificatoare încorporate și astfel comutatorul Hall a fost introdus în lume.

Cum funcționează efectul Hall

Principiul efectului Hall prevede că atunci când un conductor sau semiconductor cu curent care curge într-o direcție este introdus perpendicular pe câmpul magnetic, tensiunea poate fi măsurată în unghi drept față de calea curentului.

Efectul obținerii unei tensiuni măsurabile, așa cum sa menționat mai sus, se numește efect Hall.

Teoria din spatele principiului efectului Hall

În primul rând, trebuie să înțelegem ce este un curent electric. Curentul electric este practic fluxul de particule încărcate printr-o cale conductivă. Aceste particule încărcate pot fi „electroni încărcați negativ” sau chiar „găuri încărcate pozitiv” (goluri în care se presupune că ar fi electronii). Acum să trecem la subiect.

Dacă luăm o placă conductoare subțire (așa cum se arată mai sus în Fig. 1 și se repetă mai jos pentru a ușura citirea) și o conectăm la un circuit cu o baterie (sursă de tensiune), atunci curentul va începe să curgă prin ea. Purtătorii de sarcină vor curge în linie dreaptă de la un capăt al plăcii la celălalt capăt.

Deoarece purtătorii de sarcină sunt în mișcare, ei vor crea un câmp magnetic. Acum, când plasați un magnet lângă placă, câmpul magnetic al acestuia va distorsiona câmpul magnetic al purtătorilor de sarcină. Acest lucru va deranja fluxul direct al purtătorilor de încărcare. Forța care perturbă direcția fluxului purtătorilor de sarcină se numește forța Lorentz.

Din cauza distorsiunii câmpului magnetic al purtătorilor de sarcină, electronii încărcați negativ vor fi deviați pe o parte a plăcii, iar găurile încărcate pozitive pe cealaltă parte. Acesta este motivul pentru care se va genera o diferență de potențial (numită și tensiune Hall) între ambele părți ale plăcii, care poate fi măsurată cu un contor.

Acest efect este cunoscut sub numele de efectul Hall. Cu cât câmpul magnetic este mai puternic, cu atât mai mulți electroni vor fi deviați. Aceasta înseamnă că cu cât curentul este mai mare, cu atât mai mulți electroni vor fi deviați. Și cu cât electronii sunt deviați mai mult, cu atât diferența de potențial dintre ambele părți ale plăcii va fi mai mare. Prin urmare, putem spune că:

• Tensiunea Hall este direct proporțională cu curentul electric și direct proporțională cu câmpul magnetic aplicat.

Formula efect Hall

Iată câteva expresii matematice care sunt utilizate pe scară largă în calculele efectului Hall:

Tensiune Hall

Tensiunea Hall este reprezentată de V H . Formula pentru tensiunea Hall:

eu— Curent care circulă prin senzor

B- intensitatea câmpului magnetic

q- taxa

n este numărul de purtători de încărcare pe unitate de volum

d- grosimea senzorului

Coeficientul Hall

Este reprezentat de RH . Formula pentru coeficientul Hall (R H) este 1/(qn). Coeficientul Hall (RH) este pozitiv dacă numărul de găuri încărcate pozitiv este mai mare decât numărul de electroni încărcați negativ. În mod similar, coeficientul Hall (RH) este negativ dacă numărul de electroni de sarcină negativă este mai mare decât numărul de găuri de sarcină pozitivă.

Concentrația purtătorului de sarcină

Concentrația de electroni în purtătorul de sarcină este notată ca „n”, iar „găuri” - ca „p”. Expresie matematică pentru concentrația purtătorilor de sarcină:

Mobilitatea sălii

Mobilitatea Hall pentru electroni este reprezentată ca " μn", iar pentru găuri - ca " p". Expresie matematică pentru mobilitatea Hall:

μn— conductivitatea datorată electronilor

p- conductivitate datorita gaurilor

Densitatea fluxului magnetic

Densitatea fluxului magnetic este indicată de litera „B”. Formula pentru densitatea fluxului magnetic:

Aplicarea principiului efectului Hall

Principiul efectului Hall este utilizat în:

• Echipament pentru măsurarea câmpului magnetic.
• Multiplicator de aplicație pentru a asigura multiplicarea efectivă.
• Tester cu efect Hall pentru măsurarea curentului continuu.
• Măsurarea unghiului de fază. De exemplu - la măsurarea poziției unghiulare a arborelui cotit pentru a alinia cu precizie unghiul de aprindere al bujiilor
• Senzori de deplasări liniare sau unghiulare. De exemplu, pentru a determina poziția scaunelor auto și a centurilor de siguranță și pentru a acționa ca un blocaj pentru a controla airbag-ul.
• Senzori de proximitate.
• Senzori cu efect Hall
• Pentru a determina viteza de rotație a roții și, în consecință, asistența sistemului de frânare antiblocare (ABS).

Cum poate fi utilizat efectul Hall pentru a determina tipul de semiconductor utilizat?

Coeficientul Hall spune totul. Dacă coeficientul Hall este negativ, aceasta înseamnă că cei mai mulți purtători de sarcină sunt electroni. Și, deoarece numărul de electroni este mai mare în comparație cu găurile în semiconductori de tip n, indică clar că semiconductorul testat este de tip n. În mod similar, dacă coeficientul Hall este pozitiv, aceasta înseamnă că găurile sunt purtătorii majoritari de sarcină. Și, deoarece numărul de găuri este mai mare în comparație cu electronii din semiconductorii de tip p, indică clar că semiconductorul testat este de tip p.

Efectul Hall este fenomenul de apariție a unei diferențe de potențial la marginile unei plăci metalice sub influența unui câmp magnetic atunci când trece un curent electric prin aceasta. Astăzi este folosit la tastaturi, mașini de spălat, mașini. Un articol interesant despre

Istoria descoperirii efectului

Se știu puține despre descoperirea de către Edwin Hall a unui astfel de efect specific. Din anumite motive, un astfel de eveniment semnificativ nu este discutat în literatură. Secțiunea despre senzorii Hall menționează că Edwin a făcut observații cheie în timpul doctoratului său de la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore. Evenimentul a avut loc în 1879. Aceasta este tot ce se poate găsi în literatura de specialitate cu privire la problema originii marii descoperiri.

Se mentioneaza o sursa care nu este asa discutata. Aceasta este o notă din 19 noiembrie, în American Journal of Mathematics, 1879 (vol. 2, nr. 3). Edwin spune la paginile 287-292 ale ediției:

„În ultimul an, am studiat o mulțime de lucrări Maxwell Electricitate și Magnetism, prelegeri ale profesorului Rowland. Liniile separate au atins atenția! „Este necesar să remarcăm cu scrupulozitate faptul că forța care acționează asupra unui conductor purtător de curent situat peste liniile unui câmp magnetic este aplicată direct materialului. Și dacă aplicați tensiune unui disc sau lichid, materialul va începe să se miște ascultător la influența exercitată în toată măsura, iar natura mișcării poate fi în concordanță cu forma curentului electric sau poate fi în disonanță cu aceasta. O forță magnetică constantă acționează asupra unui flux de particule încărcate. Dacă curentul ar putea alege o cale prin grosimea materialului, atunci după un timp s-ar întoarce la traiectoria anterioară. Singura forță motrice reală este EMF-ul sursei.”

Tânărului om de știință i-a trecut prin minte că liniile contrazic direct anumite fenomene deja cunoscute. Din simplul motiv că forța care acționează asupra unui fir cu curent depinde de viteza fluxului de sarcini. În schimb, forma și configurația materialului devin de puțină importanță. La rândul lor, interacțiunile dintre sarcini sunt explicate prin mărimea și semnul lor, care este cunoscut încă de pe vremea lui Charles Coulomb.

După lucrarea lui Maxwell, Edwin Hall dă peste nota profesorului Edlund intitulată „Inducție unipolară” (Annales de Chemie et de Physique, ianuarie 1879). Textul a dovedit faptul că magnetul acționează asupra unui conductor fix cu un curent cu aceeași forță ca și asupra unuia suspendat liber. Hall a transmis întrebarea profesorului Rowland și a primit ca răspuns un mesaj despre ocupația expertului în acest moment. Edwin avea la dispoziție o ghicitoare demnă de gândit. Împreună cu profesorul Hall, a dezvoltat metodologia experimentală:

Dacă curentul nu menține o cale constantă prin fir sub influența unui câmp magnetic, densitatea de sarcină pe o parte va deveni mai mare. Ceea ce va crește în mod natural rezistența conductorului. Prin urmare, rămâne de folosit pentru a testa ipoteza.

Pentru implementarea experimentului, s-a ales o spirală plată de sârmă de nichel-argint (cu un diametru de aproximativ o jumătate de milimetru) (seamănă cu o bobină Tesla în formă) cu o rezistență totală de 2 ohmi, prinsă între două garnituri groase de cauciuc. S-a decis ca foaia să fie plasată între cei doi poli ai unui magnet cu suprafață mare. Astfel încât liniile intensității câmpului în fiecare punct să fie perpendiculare pe direcția fluxului de curent. Electromagnetul era alimentat de 20 de elemente Bunsen conectate în 4 lanțuri consecutive în 5 ramuri. Puterea rezultată a depășit de zeci de mii de ori componenta orizontală a câmpului magnetic al Pământului.

Ca senzor, a fost folosit o punte de măsurare Wheatstone, de-a lungul diagonalei căreia a fost pornit un galvanometru proiectat de Lord Kelvin. Soluția tehnică, conform datelor preliminare, a înregistrat o modificare a rezistenței spiralei într-o milioneme din valoarea totală. Între 7 octombrie și 11 octombrie, Edwin Hall a făcut 13 experimente, fiecare constând din 40 de măsurători:

1. Masurarea rezistentei cu magnetul inclus.
2. La fel și cu magnetul oprit.
3. P. 1 cu modificarea polarității liniilor câmpului magnetic.
4. Se repetă punctul 2.

Măsurătorile au arătat că câmpul magnetic este capabil să reducă și să crească rezistența. Creșterea maximă a fost de cincisprezece sutimi, valoarea medie conform rezultatelor experimentelor s-a dovedit a fi mult mai mică (cinci milionimi). A devenit clar că acțiunile întreprinse nu au fost suficiente pentru a face anumite declarații. Evident, curentul este cu greu recunoscut ca o substanță incompresibilă, așa cum se credea anterior. A fost necesar să înțelegem de ce rezultatele primelor experimente sunt atât de diferite în ceea ce privește valoarea și direcția schimbării rezistenței.

Primul senzor Hall

Primul senzor Hall a fost proiectat de profesorul Rowland. În aceeași formă în care dispozitivul este utilizat astăzi. Văzând că experimentele lui Edwin (și ale lui) nu au condus la un rezultat, lectorul a propus un model vechi al unui experiment făcut cu ani mai devreme (este descris designul senzorului Hall):

1. Un disc conductor (sau o placă de altă formă) este inclus în circuitul electric.
2. Folosind un galvanometru, două puncte echipotențiale sunt situate pe părțile laterale ale figurii.
3. Este pornit un electromagnet, ale cărui linii se află într-un plan perpendicular pe disc.
4. Sunt înregistrate modificări ale citirilor galvanometrului.

Trebuia să detecteze semne de schimbări atunci când se schimbă condițiile pentru fluxul de curent. Experimentul a folosit senzorul Hall în designul său actual, dar experimentul a eșuat. Este în general acceptat că de vină este prea mare grosime a discului. Profesorul a adus acest lucru în atenția lui Edwin și a sugerat că situația poate fi remediată prin utilizarea unei foi subțiri de aur montate pe o bază de sticlă (pentru a preveni deformarea metalului de către câmp). Experimentul desfășurat pe 28 octombrie a avut un succes complet; a fost posibilă fixarea unei deviații stabile a acului galvanometrului sub acțiunea unui câmp magnetic pe o placă cu curent.

Și deși mișcarea s-a dovedit a fi permanentă, a dispărut rapid, nu a putut fi atribuită (din experimentele lui Faraday). Eroarea introdusă de domeniul solenoizilor electrici a fost rapid eliminată. Era clar o deschidere la orizont. Este remarcabil că atunci când polaritatea magnetului a fost schimbată, efectul a fost inversat. Pentru a stabili dependențe cantitative, aparatul a fost ușor îmbunătățit:

• Un contact puternic al sursei de alimentare a fost asigurat pe fiecare parte cu plăci de alamă, bine lustruite și lipite cu grijă la aur (9x2 cm).
• Metalul pur a rămas în centru: o zonă de 5,5 cm lungime și pe toată lățimea. Aici, liniile de câmp magnetic au trecut prin aur.
• Contactele galvanometrului de înaltă rezistență al lui Thomson se apropiau de-a lungul marginilor, echidistante de plăcile de alamă.

În timpul experimentului s-a măsurat câmpul magnetic al solenoizilor, curenții prin placă și galvanometru. Rezultatul a fost prezentat sub forma unui tabel, prezentat în figură, care arată că Edwin Hall a reușit să obțină primele regularități. S-a întâmplat la 12 noiembrie 1879. Chiar dacă expresia din dreapta are valori care diferă cu 8%, este clar că ordinea numerelor este aceeași. Și vom atribui abaterile erorilor experimentatorilor și echipamentelor.

Valorile exacte nu sunt întotdeauna importante. Astăzi, senzorii Hall sunt utilizați în mod activ ca indicatori ai absenței sau prezenței unui câmp magnetic. De exemplu, la tastaturi sau la motoarele mașinii de spălat.

Aplicarea efectului Hall în practică

S-a spus deja (vezi ) că primele aplicații industriale ale efectului Hall și-au găsit drumul în viață în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Astăzi, puțin mai mult de jumătate din cota de segment se află în industria auto. Mai exact, tehnologiile avansate din alte domenii vin de acolo. De exemplu, modulele ASIC și ASSP. Rolul principal pentru anii zece ai secolului XXI revine companiei Asahi Kasei Microsystems (AKM), care furnizează busole pentru dispozitive mobile bazate pe efectul Hall. Dintre giganții industriali, remarcăm Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Dintre senzorii de câmp magnetic, cei bazați pe efectul Hall ocupă o pondere onorabilă de 87%.

Adesea senzorul este inclus în microcircuit. Strămoșul istoric este seria CMOS. Pe baza acestuia, au fost produși senzori integrați în cristal pentru a măsura unghiul supapei de accelerație, volanului, viteza de rotație a arborelui cu came și a arborelui cotit. Importanța tehnologiei în muncă este largă, unde, în funcție de poziția unghiulară a rotorului, este necesară comutarea înfășurărilor într-un anumit mod. Intensitatea câmpului este măsurată de cei mai recenti senzori 3D care determină poziția unghiulară și liniară a sistemului magnetic. Anterior, a fost înregistrat simplul fapt al prezenței sau absenței unui obiect în câmpul vizual. Acest lucru este necesar pentru a concura cu succes cu tehnologia magnetorezistivă.

Astăzi, structurile programabile sunt considerate cea mai recentă modă, unde diferite funcții sunt introduse prin cod. Senzorii pot fi utilizați într-o varietate de moduri. De exemplu, în funcție de poziția relativă a zonei sensibile și a magnetului, se disting următoarele moduri:

1. Frontal. În acest caz, magnetul se află direct opus senzorului, îndepărtându-se de acesta sau apropiindu-se de el în linie dreaptă. Câmpul depinde pătratic de distanță, iar legea semnalului de ieșire asupra intervalului seamănă cu o hiperbolă. Un astfel de regim se numește unipolar, tensiunea nu poate schimba direcția.
2. Alunecare. În acest caz, există un anumit decalaj între zona sensibilă și magnet. Această coordonată rămâne neschimbată. Iar magnetul poate aluneca paralel cu senzorul de-a lungul unei axe. Câmpul în acest caz nu se modifică, iar dependența semnalului de ieșire de coordonată este apropiată de distribuția Gaussiană. Direcția tensiunii nu se schimbă, prin urmare regimul este numit și unipolar.
3. alunecare bipolară. Uneori trebuie să aflați în ce direcție a deviat magnetul. Și nu doar pentru a determina distanța. În acest caz, se folosește un magnet în formă de potcoavă. În consecință, polii provoacă răspunsuri de polaritate diferită. Asta i-a dat numele regimului.

Aceste moduri sunt utilizate ocazional în combinație. De exemplu, atunci când este necesară poziționarea cu precizie a magnetului în raport cu senzorii (folosind actuatoare), sensibilitatea echipamentului este crescută printr-o caracteristică abruptă a dependenței semnalului de ieșire de coordonate. Se folosesc trei magneți de bandă cu poli alternanți. Coborârile extreme ale graficului sunt blânde, iar vârful central este pronunțat. Cât de precisă se realizează poziționarea sistemului.

Pentru a întări liniile de tensiune, pentru a da o direcție clar definită, se folosesc piese de stâlp. Acestea sunt bucăți de metal realizate din aliaje feromagnetice moi. Pe măsură ce magnetul se apropie, liniile încep să tindă spre site, formând un gol în care rămân drepte. Dacă plasați un senzor Hall acolo, sensibilitatea sistemului crește semnificativ. Pentru un scop similar, se folosesc magneți de polarizare, care rămân pe loc și nu provoacă funcționare independentă. Pe măsură ce partea mobilă se apropie, densitatea câmpului magnetic crește brusc. Acest lucru simplifică operarea și reduce cerințele pentru sensibilitatea senzorului.

Adăugăm că, în funcție de structura semnalului de ieșire, senzorii sunt analogici și digitali. În acest din urmă caz, sistemul este ușor de interfațat cu automatizarea, iar semnalul măsurat nu își mai pierde acuratețea, fiind transferat pentru procesare.