Efekt Halla - Hall effect

Efekt Halla:
Na schemacie A płaski przewodnik ma na górze ładunek ujemny (symbolizowany przez kolor niebieski) i ładunek dodatni na dole (kolor czerwony). Na rysunkach B i C odpowiednio zmienia się kierunek pól elektrycznych i magnetycznych, co powoduje zmianę polaryzacji ładunków. Na schemacie D oba pola zmieniają kierunek jednocześnie, co skutkuje taką samą polaryzacją jak na szkicu A .
  1   elektrony
  dwa   płaskie przewodu, który służy jako element Halla ( efekt Halla )
  3   magnesu
  4   pola magnetycznego
  5   źródło energii

Efekt Halla to wytworzenie różnicy napięcia ( napięcie Halla ) w przewodniku elektrycznym, która jest poprzeczna do prądu elektrycznego w przewodniku i do przyłożonego pola magnetycznego prostopadłego do prądu. Został odkryty przez Edwina Halla w 1879 roku.

Efekt Halla może również wystąpić w poprzek pustej przestrzeni lub otworu w półprzewodniku lub metalowej płytce, gdy prąd jest wtryskiwany przez styki leżące na granicy lub krawędzi pustej przestrzeni lub otworu, a ładunek przepływa poza pustkę lub otwór w metalu lub półprzewodnik. Ten efekt Halla staje się obserwowalny w prostopadłym przyłożonym polu magnetycznym na stykach napięciowych, które leżą na granicy pustki po obu stronach linii łączącej styki prądowe, wykazuje widoczne odwrócenie znaku w porównaniu ze standardowym zwykłym efektem Halla w prostym połączeniu okazu, a ten efekt Halla zależy tylko od prądu wstrzykniętego z wnętrza pustki.

Superpozycja może być również realizowana w efekcie Halla: Wyobraź sobie standardową konfigurację Halla, połączoną (bez pustych przestrzeni) cienką prostokątną jednorodną płytkę Halla ze stykami prądowymi i napięciowymi na (zewnętrznej) granicy, która wytwarza napięcie Halla w prostopadłym polu magnetycznym . Teraz wyobraź sobie umieszczenie prostokątnej pustej przestrzeni lub dziury w tej standardowej konfiguracji Halla, ze stykami prądowymi i napięciowymi, jak wspomniano powyżej, na wewnętrznej granicy lub krawędzi pustej przestrzeni. Dla uproszczenia, aktualne kontakty na granicy pustki mogą być wyrównane z obecnymi kontaktami na zewnętrznej granicy w standardowej konfiguracji Halla. W takiej konfiguracji dwa efekty Halla mogą być realizowane i obserwowane jednocześnie w tym samym podwójnie podłączonym urządzeniu: efekt Halla na zewnętrznej granicy, który jest proporcjonalny do prądu wstrzykiwanego tylko przez zewnętrzną granicę, i pozornie odwrócony efekt Halla na granicy zewnętrznej. granica wewnętrzna, która jest proporcjonalna do prądu wstrzykiwanego tylko przez granicę wewnętrzną. Wielokrotna superpozycja efektów Halla może być zrealizowana przez umieszczenie wielu pustych przestrzeni w elemencie Halla, ze stykami prądowymi i napięciowymi na granicy każdej pustej przestrzeni. DE Patent 4308375 

Współczynnik Halla definiuje się jako stosunek indukowanego pola elektrycznego do iloczynu gęstości prądu i przyłożonego pola magnetycznego. Jest to cecha materiału, z którego wykonany jest przewodnik, gdyż jej wartość zależy od rodzaju, liczby i właściwości nośników ładunku tworzących prąd.

Dla jasności, oryginalny efekt jest czasami nazywany zwykłym efektem Halla, aby odróżnić go od innych „efektów Halla”, które mogą mieć dodatkowe mechanizmy fizyczne, ale oparte są na tych podstawach.

Odkrycie

Współczesna teoria elektromagnetyzmu została usystematyzowana przez Jamesa Clerka Maxwella w artykule „ O fizycznych liniach siły ”, który został opublikowany w czterech częściach w latach 1861-1862. Podczas gdy artykuł Maxwella ustanowił solidną podstawę matematyczną dla teorii elektromagnetycznej, szczegółowe mechanizmy teorię wciąż badano. Jedno z takich pytań dotyczyło szczegółów interakcji między magnesami a prądem elektrycznym, w tym tego, czy pola magnetyczne oddziałują z przewodnikami, czy z samym prądem elektrycznym. W 1879 roku Edwin Hall było badanie tej interakcji, i odkrył efekt Halla, podczas gdy on pracował na doktorat na Johns Hopkins University w Baltimore , Maryland . Osiemnaście lat przed odkryciem elektronu jego pomiary maleńkiego efektu wytwarzanego w aparaturze, której używał, były eksperymentalnym tour de force , opublikowanym pod tytułem „O nowym działaniu magnesu na prądy elektryczne”.

Teoria

Efekt Halla wynika z natury prądu w przewodniku. Prąd składa się z ruchu wielu małych nośników ładunku , zazwyczaj elektronów , dziur , jonów (patrz Elektromigracja ) lub wszystkich trzech. Gdy obecne jest pole magnetyczne, ładunki te doświadczają siły zwanej siłą Lorentza . W przypadku braku takiego pola magnetycznego ładunki poruszają się w przybliżeniu po prostej linii wzroku pomiędzy zderzeniami z domieszkami, fononami itp. Jednak gdy przyłożone jest pole magnetyczne o składowej prostopadłej, ich drogi pomiędzy zderzeniami są zakrzywione, a zatem poruszające się ładunki gromadzą się na jednej stronie materiału. To pozostawia równe i przeciwstawne ładunki widoczne na drugiej stronie, gdzie istnieje niedobór opłat mobilnych. Rezultatem jest asymetryczny rozkład gęstości ładunku w elemencie Halla, wynikający z siły prostopadłej zarówno do ścieżki „linii widzenia”, jak i przyłożonego pola magnetycznego. Oddzielenie ładunku tworzy pole elektryczne, które przeciwstawia się migracji dalszego ładunku, tak więc ustalony potencjał elektryczny jest ustalany tak długo, jak ładunek płynie.

W klasycznym elektromagnetyzmie elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do prądu I ( umownie „prąd” oznacza teoretyczny „przepływ dziur”). W niektórych metalach i półprzewodnikach wydaje się, że „dziury” faktycznie płyną, ponieważ kierunek napięcia jest przeciwny do wyprowadzenia poniżej.

Stanowisko do pomiaru efektu Halla dla elektronów. Początkowo elektrony podążają za zakrzywioną strzałką z powodu siły magnetycznej. W pewnej odległości od dotychczasowych styków wprowadzania elektrony gromadzą się po lewej stronie i usuwają z prawej strony, który tworzy się w polu elektrycznym Ę Y w kierunku przyporządkowanego V H . V H jest negatywny dla niektórych półprzewodników, gdzie „otwory” pojawiają się do przepływu. W stanie ustalonym ξ y będzie wystarczająco silne, aby dokładnie zniwelować siłę magnetyczną, więc elektrony podążają za prostą strzałką (przerywaną).
Animacja przedstawiająca uproszczoną zasadę

W przypadku prostego metalu, w którym występuje tylko jeden rodzaj nośnika ładunku (elektrony), napięcie Halla V H można wyznaczyć przy użyciu siły Lorentza i widząc, że w stanie ustalonym ładunki nie poruszają się w osi y kierunek. Tak więc siła magnetyczna na każdym elektronu w kierunku osi y jest anulowana przez siłę elektryczną osi y z powodu gromadzenia się ładunków. Składnik v x to prędkość dryfu prądu, która jest w tym momencie umownie przyjmowana jako dziury. Składnik v x B z jest ujemny w kierunku osi y zgodnie z regułą prawej ręki.

W stanie ustalonym F = 0 , więc 0 = E yv x B z , gdzie E y jest przypisane w kierunku osi y (a nie ze strzałką indukowanego pola elektrycznego ξ y jak na obrazku (wskazując w kierunku y ), co wskazuje, gdzie wskazuje pole wywołane przez elektrony).

W drutach płyną elektrony zamiast dziur, więc v x → − v x i q → − q . Również E y = − V H/w. Zastąpienie tych zmian daje

Konwencjonalny prąd „dziury” jest w kierunku ujemnym prądu elektronowego i ujemnego ładunku elektrycznego, co daje I x = ntw (− v x )(− e ) gdzie n jest gęstością nośnika ładunku , tw jest przekrojem pole powierzchni, a e jest ładunkiem każdego elektronu. Rozwiązanie i wpięcie w powyższe daje napięcie Halla:

Gdyby nagromadzony ładunek był dodatni (jak to wygląda w niektórych metalach i półprzewodnikach), wówczas V H przypisane na obrazie byłoby ujemne (dodatni ładunek powstałby po lewej stronie).

Współczynnik Halla jest zdefiniowany jako

lub

gdzie j jest gęstością prądu elektronów nośnych, a E y jest indukowanym polem elektrycznym. W jednostkach SI staje się to

(Jednostki R H są zwykle wyrażane w m 3 / C lub omów · cm / G lub innych wariantów). W wyniku efektu Halla, jest bardzo użyteczne jako środki do mierzenia albo gęstość nośnik lub pole magnetyczne .

Bardzo ważną cechą efektu Halla jest to, że rozróżnia on ładunki dodatnie poruszające się w jednym kierunku i ładunki ujemne poruszające się w przeciwnym. Na powyższym schemacie przedstawiono efekt Halla z ujemnym nośnikiem ładunku (elektronem). Ale rozważmy to samo pole magnetyczne i prąd, ale prąd jest przenoszony wewnątrz urządzenia z efektem Halla przez dodatnią cząstkę. Cząstka musiałaby oczywiście poruszać się w kierunku przeciwnym do elektronu, aby prąd był taki sam – w dół na schemacie, a nie w górę, jak elektron. I tak, mówiąc mnemonicznie, twój kciuk w prawie siły Lorentza , reprezentujący (konwencjonalny) prąd, wskazywałby ten sam kierunek, co poprzednio, ponieważ prąd jest taki sam – elektron poruszający się w górę jest tym samym prądem, co ładunek dodatni poruszający się w dół. A ponieważ palce (pole magnetyczne) również są takie same, co ciekawe , nośnik ładunku zostaje odchylony w lewo na schemacie, niezależnie od tego, czy jest dodatni, czy ujemny. Ale jeśli dodatnie nośniki są odchylane w lewo, to tworzą względnie dodatnie napięcie po lewej stronie, podczas gdy ujemne nośniki (mianowicie elektrony) wytwarzają ujemne napięcie po lewej stronie, jak pokazano na schemacie. Tak więc dla tego samego prądu i pola magnetycznego biegunowość napięcia Halla zależy od wewnętrznej natury przewodnika i jest przydatna do wyjaśnienia jego wewnętrznego działania.

Ta właściwość efektu Halla stanowiła pierwszy prawdziwy dowód na to, że prądy elektryczne w większości metali są przenoszone przez poruszające się elektrony, a nie przez protony. Wykazał również, że w niektórych substancjach (zwłaszcza półprzewodnikach typu p ) przeciwnie, bardziej właściwe jest myślenie o prądzie jako o dodatnich „ dziurach ” poruszających się niż o ujemnych elektronach. Częstym źródłem nieporozumień z efektem Halla w takich materiałach jest to, że dziury poruszające się w jedną stronę są w rzeczywistości elektronami poruszającymi się w przeciwnym kierunku, więc można się spodziewać, że polaryzacja napięcia Halla będzie taka sama, jak gdyby elektrony były nośnikami ładunku, jak w większości metali i n półprzewodniki typu . Jednak obserwujemy przeciwną biegunowość napięcia Halla, wskazującą na dodatnie nośniki ładunku. Oczywiście nie ma jednak rzeczywistych pozytonów ani innych dodatnich cząstek elementarnych przenoszących ładunek w półprzewodnikach typu p , stąd nazwa „dziury”. W ten sam sposób, w jaki nadmiernie uproszczony obraz światła w szkle jako fotonów pochłanianych i reemitowanych w celu wyjaśnienia załamania załamuje się po bliższym przyjrzeniu się, tę pozorną sprzeczność również można rozwiązać tylko dzięki nowoczesnej teorii mechaniki kwantowej dotyczącej kwazicząstek, w której kolektywny skwantowany ruch wielu cząstek można, w realnym sensie fizycznym, uznać za cząstkę samą w sobie (choć nie elementarną).

Bez związku, niejednorodność próbki przewodzącej może skutkować fałszywym znakiem efektu Halla, nawet w idealnej konfiguracji elektrod van der Pauwa . Na przykład w półprzewodnikach typu n zaobserwowano efekt Halla zgodny z dodatnimi nośnikami. Inne źródło artefaktów, w materiałach jednorodnych, występuje, gdy wydłużenie próbki nie jest wystarczająco długie: pełne napięcie Halla rozwija się tylko daleko od styków wprowadzających prąd, ponieważ na stykach napięcie poprzeczne jest zwarte do zera.

Efekt Halla w półprzewodnikach

Gdy półprzewodnik przewodzący prąd jest utrzymywany w polu magnetycznym, nośniki ładunku półprzewodnika doświadczają siły w kierunku prostopadłym zarówno do pola magnetycznego, jak i prądu. W stanie równowagi na krawędziach półprzewodnika pojawia się napięcie.

Podany powyżej prosty wzór na współczynnik Halla jest zwykle dobrym wytłumaczeniem, gdy przewodnictwo jest zdominowane przez pojedynczy nośnik ładunku . Jednak w półprzewodnikach i wielu metalach teoria jest bardziej złożona, ponieważ w tych materiałach przewodnictwo może wiązać się ze znacznym, równoczesnym wkładem zarówno elektronów, jak i dziur , które mogą występować w różnych stężeniach i mieć różne ruchliwości . Dla umiarkowanych pól magnetycznych współczynnik Halla wynosi

lub równoważnie

z

Tutaj n jest koncentracją elektronów, p koncentracją dziur, μ e ruchliwością elektronów, μ h ruchliwością dziur i e ładunkiem elementarnym.

W przypadku dużych pól aplikacyjnych obowiązuje prostsze wyrażenie analogiczne do tego dla jednego typu nośnika.

Związek z powstawaniem gwiazd

Chociaż dobrze wiadomo, że pola magnetyczne odgrywają ważną rolę w formowaniu się gwiazd, modele badawcze wskazują, że dyfuzja Halla ma decydujący wpływ na dynamikę kolapsu grawitacyjnego, który tworzy protogwiazdy.

Efekt Halla Kwantowego

W przypadku dwuwymiarowego układu elektronowego, który można wytworzyć w tranzystorze MOSFET , w obecności dużego natężenia pola magnetycznego i niskiej temperatury , można zaobserwować kwantowy efekt Halla, w którym przewodnictwo Halla σ przechodzi kwantowe przejścia Halla, aby przyjąć skwantowane wartości.

Efekt Sali Wirującej

Spinowy efekt Halla polega na akumulacji spinu na bocznych granicach próbki przewodzącej prąd. Nie jest potrzebne pole magnetyczne. Zostało to przewidziane przez Michaiła Diakonowa i VI Perela w 1971 roku i zaobserwowane eksperymentalnie ponad 30 lat później, zarówno w półprzewodnikach, jak i metalach, zarówno w temperaturze kriogenicznej, jak i pokojowej.

Spin kwantowy efekt Halla

W przypadku dwuwymiarowych studni kwantowych z tellurku rtęciowego z silnym sprzężeniem spinowo-orbitalnym, w zerowym polu magnetycznym, w niskiej temperaturze, zaobserwowano niedawno kwantowy efekt Halla.

Anomalny efekt Halla

W materiałach ferromagnetycznych (i paramagnetycznych w polu magnetycznym ) rezystywność Halla zawiera dodatkowy wkład, znany jako anomalny efekt Halla (lub niezwykły efekt Halla ), który zależy bezpośrednio od namagnesowania materiału i często jest znacznie większy niż zwykły efekt Halla. (Zauważ, że ten efekt nie wynika z udziału namagnesowania w całkowitym polu magnetycznym .) Na przykład w niklu nieprawidłowy współczynnik Halla jest około 100 razy większy niż zwykły współczynnik Halla w pobliżu temperatury Curie, ale oba są podobnie w bardzo niskich temperaturach. Chociaż jest to dobrze rozpoznane zjawisko, wciąż toczy się debata na temat jego pochodzenia w różnych materiałach. Efekt nienormalna Hall może być albo zewnątrzpochodną efekt (zaburzenia związane) z powodu wirowania -zależną rozpraszania z nośników ładunku , albo wewnętrzną skutku, który można opisać w odniesieniu do fazy Berry wpływ na powierzchni kryształu pędu ( k -kosmiczna ).

Efekt Halla w zjonizowanych gazach

Efekt Halla w zjonizowanym gazie ( plazmie ) znacznie różni się od efektu Halla w ciałach stałych (gdzie parametr Halla jest zawsze znacznie mniejszy od jedności). W plazmie parametr Hall może przyjmować dowolną wartość. Parametr Hall, β w plazmie jest stosunek elektronów gyrofrequency , omów e , i cząstek częstotliwości zderzeń elektronów ciężki, v :

gdzie

Wartość parametru Halla wzrasta wraz z natężeniem pola magnetycznego.

Fizycznie trajektorie elektronów są zakrzywione przez siłę Lorentza . Niemniej jednak, gdy parametr Halla jest niski, ich ruch pomiędzy dwoma spotkaniami z ciężkimi cząstkami ( neutralnymi lub jonowymi ) jest prawie liniowy. Ale jeśli parametr Halla jest wysoki, ruchy elektronów są mocno zakrzywione. Gęstość prądu wektor, J , nie jest już współliniowe z pola elektrycznego wektor, E . Te dwa wektory J i E sprawiają, że kąt Hall , θ , co daje też parametr Hall:

Aplikacje

Sondy Halla są często wykorzystywane jako magnetometry , tj. do pomiaru pól magnetycznych, czy kontroli materiałów (takich jak rury czy rurociągi) z wykorzystaniem zasady upływu strumienia magnetycznego .

Urządzenia z efektem Halla wytwarzają bardzo niski poziom sygnału i dlatego wymagają wzmocnienia. Choć odpowiednie do przyrządów laboratoryjnych, dostępne w pierwszej połowie XX wieku wzmacniacze lampowe były zbyt drogie, energochłonne i zawodne w codziennych zastosowaniach. Dopiero wraz z opracowaniem taniego układu scalonego czujnik Halla stał się odpowiedni do zastosowań masowych. Wiele urządzeń sprzedawanych obecnie jako czujniki z efektem Halla w rzeczywistości zawiera zarówno czujnik opisany powyżej, jak i wzmacniacz z układem scalonym o wysokim wzmocnieniu (IC) w jednym pakiecie. Ostatnie postępy dodatkowo dodały do ​​jednego pakietu konwerter analogowo-cyfrowy i układ scalony I²C (Inter-integrated Circuit Communication Protocol) do bezpośredniego połączenia z portem I/O mikrokontrolera .

Przewaga nad innymi metodami

Urządzenia z efektem Halla (odpowiednio zapakowane) są odporne na kurz, brud, błoto i wodę. Te cechy sprawiają, że urządzenia z efektem Halla są lepsze do wykrywania położenia niż alternatywne środki, takie jak wykrywanie optyczne i elektromechaniczne.

Czujnik prądu Halla z wewnętrznym wzmacniaczem układu scalonego. Otwór 8 mm. Napięcie wyjściowe o zerowym prądzie znajduje się w połowie drogi między napięciami zasilania, które utrzymują różnicę 4 do 8 woltów. Niezerowa odpowiedź prądowa jest proporcjonalna do dostarczanego napięcia i jest liniowa do 60 amperów dla tego konkretnego urządzenia (25 A).

Kiedy elektrony przepływają przez przewodnik, wytwarzane jest pole magnetyczne. Dzięki temu możliwe jest stworzenie bezdotykowego czujnika prądu. Urządzenie posiada trzy zaciski. Napięcie czujnika jest przykładane do dwóch zacisków, a trzeci dostarcza napięcie proporcjonalne do wykrywanego prądu. Ma to kilka zalet; w obwodzie pierwotnym nie trzeba umieszczać dodatkowej rezystancji ( bocznika , wymaganego w najpopularniejszej metodzie wykrywania prądu). Ponadto napięcie obecne na mierzonej linii nie jest przesyłane do czujnika, co zwiększa bezpieczeństwo sprzętu pomiarowego.

Wady w porównaniu z innymi metodami

Strumień magnetyczny z otoczenia (np. innych przewodów) może zmniejszyć lub wzmocnić pole, które sonda Halla zamierza wykryć, powodując niedokładność wyników.

Sposoby pomiaru pozycji mechanicznych w systemie elektromagnetycznym, takim jak bezszczotkowy silnik prądu stałego, obejmują (1) efekt Halla, (2) optyczny enkoder położenia (np. enkodery absolutne i inkrementalne ) oraz (3) napięcie indukowane poprzez przesunięcie wartości metalowego rdzenia włożonego do transformatora. Kiedy porównamy Halla z metodami światłoczułymi, trudniej jest uzyskać absolutną pozycję za pomocą Halla. Detekcja Halla jest również wrażliwa na błądzące pola magnetyczne.

Współczesne aplikacje

Hallotron jest łatwo dostępny z wielu różnych producentów, i mogą być stosowane w różnych czujników, takich jak obrotowe czujników prędkości (kół rowerowych, zębatymi zęby przyśpieszenia samochodowych, elektroniczne układy zapłonowe), płyn do czujników przepływu , czujniki prądu i nacisku czujniki . Często spotykane są aplikacje, w których wymagany jest solidny i bezstykowy przełącznik lub potencjometr. Należą do nich: elektryczne pistolety airsoftowe , spusty pistoletów elektropneumatycznych do paintballa , regulatory prędkości gokartów, smartfony oraz niektóre globalne systemy pozycjonowania.

Ferrytowy toroidalny przetwornik prądu z efektem Halla

Schemat przetwornika prądowego z efektem Halla zintegrowanego z pierścieniem ferrytowym.

Czujniki Halla mogą z łatwością wykrywać zabłąkane pola magnetyczne, w tym ziemskie, więc dobrze sprawdzają się jako kompasy elektroniczne: ale oznacza to również, że takie zabłąkane pola mogą utrudniać dokładne pomiary małych pól magnetycznych. Aby rozwiązać ten problem, czujniki Halla są często integrowane z pewnego rodzaju ekranowaniem magnetycznym. Na przykład czujnik Halla zintegrowany z pierścieniem ferrytowym (jak pokazano) może zmniejszyć wykrywanie pól błądzących o współczynnik 100 lub lepszy (ponieważ zewnętrzne pola magnetyczne znoszą się w poprzek pierścienia, nie dając szczątkowego strumienia magnetycznego ). Ta konfiguracja zapewnia również poprawę stosunku sygnału do szumu i efekty dryfu ponad 20-krotnie większe niż w przypadku samego urządzenia Halla.

Zasięg danego czujnika przelotowego można rozszerzyć w górę iw dół przez odpowiednie okablowanie. Aby rozszerzyć zakres do niższych prądów, można wykonać wiele zwojów przewodu przewodzącego prąd przez otwór, przy czym każdy zwój dodaje do wyjścia czujnika tę samą ilość; gdy czujnik jest zainstalowany na płytce drukowanej, zwoje można wykonać za pomocą zszywki na płytce. Aby rozszerzyć zakres na wyższe prądy, można zastosować dzielnik prądu. Dzielnik rozdziela prąd na dwa przewody o różnej szerokości, a cieńszy przewód, przenoszący mniejszą część całkowitego prądu, przechodzi przez czujnik.

Wiele „zwojów” i odpowiednia funkcja przenoszenia.

Czujnik zaciskowy z pierścieniem dzielonym

Odmiana czujnika pierścieniowego wykorzystuje czujnik dzielony, który jest przymocowany do linii, umożliwiając zastosowanie urządzenia w tymczasowym sprzęcie testowym. W przypadku zastosowania w stałej instalacji, czujnik dzielony umożliwia testowanie prądu elektrycznego bez demontażu istniejącego obwodu.

Mnożenie analogowe

Wyjście jest proporcjonalne zarówno do przyłożonego pola magnetycznego, jak i przyłożonego napięcia czujnika. Jeśli pole magnetyczne jest przyłożone przez elektromagnes, sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do iloczynu prądu płynącego przez elektromagnes i napięcia czujnika. Ponieważ większość aplikacji wymagających obliczeń jest obecnie wykonywana przez małe komputery cyfrowe , pozostałą użyteczną aplikacją jest wykrywanie mocy, które łączy wykrywanie prądu z wykrywaniem napięcia w jednym urządzeniu z efektem Halla.

Pomiar mocy

Wyczuwając prąd dostarczany do obciążenia i wykorzystując napięcie przyłożone do urządzenia jako napięcie czujnika, można określić moc rozpraszaną przez urządzenie.

Wykrywanie pozycji i ruchu

Urządzenia z efektem Halla stosowane w wykrywaniu ruchu i wyłącznikach krańcowych ruchu mogą zapewnić zwiększoną niezawodność w ekstremalnych warunkach. Ponieważ w czujniku lub magnesie nie ma ruchomych części, typowa żywotność jest dłuższa w porównaniu z tradycyjnymi przełącznikami elektromechanicznymi. Dodatkowo czujnik i magnes mogą być zatopione w odpowiednim materiale ochronnym. Ta aplikacja jest używana w bezszczotkowych silnikach prądu stałego .

Czujniki z efektem Halla, przymocowane do mechanicznych wskaźników, które mają namagnesowane iglice wskaźnika, mogą tłumaczyć fizyczne położenie lub orientację mechanicznej igły wskaźnika na sygnał elektryczny, który może być używany przez wskaźniki elektroniczne, elementy sterujące lub urządzenia komunikacyjne.

Zapłon samochodowy i wtrysk paliwa

Powszechnie stosowany w rozdzielaczach do synchronizacji zapłonu (oraz w niektórych typach czujników położenia korby i wałka rozrządu do synchronizacji impulsów wtrysku, wykrywania prędkości itp.) Czujnik efektu Halla jest używany jako bezpośredni zamiennik dla mechanicznych punktów zerwania stosowanych we wcześniejszych zastosowaniach motoryzacyjnych. Jego zastosowanie jako urządzenia do pomiaru czasu zapłonu w różnych typach dystrybutorów jest następujące. Stacjonarny magnes stały i półprzewodnikowy układ z efektem Halla są zamontowane obok siebie oddzielone szczeliną powietrzną, tworząc czujnik Halla. Metalowy wirnik składający się z okienek i wypustek jest zamontowany na wale i umieszczony w taki sposób, że podczas obrotu wału okienka i wypustki przechodzą przez szczelinę powietrzną pomiędzy magnesem trwałym a półprzewodnikowym chipem Halla. To skutecznie osłania i wystawia chip Halla na działanie pola magnesu stałego, w zależności od tego, czy zakładka lub okienko przechodzi przez czujnik Halla. Dla celów synchronizacji zapłonu, metalowy wirnik będzie miał kilka równych rozmiarów wypustek i okienek odpowiadających liczbie cylindrów silnika. Daje to jednolitą falę prostokątną, ponieważ czas włączania/wyłączania (ekranowania i naświetlania) jest równy. Sygnał ten jest wykorzystywany przez komputer silnika lub ECU do sterowania czasem zapłonu. Wiele samochodowych czujników Halla ma wbudowany wewnętrzny tranzystor NPN z otwartym kolektorem i uziemionym emiterem, co oznacza, że ​​zamiast napięcia wytwarzanego na przewodzie wyjściowym sygnału czujnika Halla, tranzystor jest włączony, zapewniając obwód do masy przez sygnał przewód wyjściowy.

Wykrywanie obrotu koła

Wykrywanie obrotu koła jest szczególnie przydatne w układach przeciwblokujących . Zasady takich systemów zostały rozszerzone i udoskonalone, aby oferować więcej niż funkcje antypoślizgowe, zapewniając teraz rozszerzone usprawnienia prowadzenia pojazdu .

Sterowanie silnikiem elektrycznym

Niektóre typy bezszczotkowych silników elektrycznych prądu stałego wykorzystują czujniki Halla do wykrywania położenia wirnika i przekazywania tych informacji do sterownika silnika. Pozwala to na bardziej precyzyjną kontrolę silnika.

Zastosowania przemysłowe

Zastosowania czujników z efektem Halla rozszerzyły się również na zastosowania przemysłowe, które teraz wykorzystują joysticki z efektem Halla do sterowania zaworami hydraulicznymi, zastępując tradycyjne dźwignie mechaniczne czujnikami bezdotykowymi. Do takich zastosowań należą ciężarówki górnicze, koparko-ładowarki, dźwigi, koparki, podnośniki nożycowe itp.

Napęd statku kosmicznego

Silnik z efektem Halla (HET) to urządzenie, które służy do napędzania niektórych statków kosmicznych po tym, jak wejdzie na orbitę lub dalej w kosmos. W HET atomyjonizowane i przyspieszane przez pole elektryczne . Promieniowe pole magnetyczne utworzone przez magnesy na pędniku służy do wychwytywania elektronów, które następnie krążą i wytwarzają pole elektryczne w wyniku efektu Halla. Pomiędzy końcem pędnika, w którym podawany jest neutralny gaz pędny, a częścią, w której wytwarzane są elektrony, powstaje duży potencjał; tak więc elektrony uwięzione w polu magnetycznym nie mogą spaść do niższego potencjału. Są więc niezwykle energetyczne, co oznacza, że ​​mogą jonizować neutralne atomy. Neutralny propelent jest pompowany do komory i jest jonizowany przez uwięzione elektrony. Jony dodatnie i elektrony są następnie wyrzucane z silnika jako quasi-neutralna plazma , tworząc ciąg. Wytwarzany ciąg jest niezwykle mały, z bardzo małym masowym natężeniem przepływu i bardzo wysoką efektywną prędkością spalin/impulsem właściwym. Osiąga się to kosztem bardzo dużego zapotrzebowania na energię elektryczną, rzędu 4 KW dla kilkuset milinewtonów ciągu.

Efekt Corbino

Dysk Corbino – krzywe przerywane reprezentują spiralne logarytmiczne ścieżki odchylonych elektronów

Efekt Corbino jest zjawiskiem związanym z efektem Halla, ale zamiast prostokątnej próbki zastosowano metalową próbkę w kształcie dysku. Ze względu na swój kształt tarcza Corbino pozwala na obserwację magnetooporu Halla bez związanego z nim napięcia Halla.

Prąd promieniowy płynący przez okrągły dysk, poddany działaniu pola magnetycznego prostopadłego do płaszczyzny dysku, wytwarza „kołowy” prąd płynący przez dysk.

Brak swobodnych granic poprzecznych sprawia, że ​​interpretacja efektu Corbino jest prostsza niż efektu Halla.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Wprowadzenie do fizyki plazmy i kontrolowanej syntezy, tom 1, fizyka plazmy, wydanie drugie, 1984, Francis F. Chen

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki

Patenty
  • Patent USA 1.778.796 , PH Craig, System i aparatura wykorzystująca efekt Halla
  • Patent USA 3596114 , JT Maupin, EA Vorthmann, bezstykowy przełącznik Halla z wstępnie obciążonym spustem Schmitta
  • Patent USA 5646527 , RG Mani i K. von Klitzing, „Urządzenie z efektem Halla z połączeniami prądu i napięcia Halla” 
Ogólny