Adiabatisk negativ og positiv Hall effekt

I en strømførende ledning placeret i et magnetfelt induceres en spænding i en retning vinkelret på retningerne af den elektriske strøm og det magnetiske felt. Fænomenet med udseendet af en sådan spænding kaldes Hall-effekten, og selve den inducerede spænding kaldes Hall-spændingen.

I 1879 opdagede den amerikanske fysiker Edwin Hall (1855-1938), mens han arbejdede på sin afhandling, en interessant effekt. Han tog en tynd guldplade med jævnstrøm og placerede den i et magnetfelt vinkelret på pladens plan. I dette tilfælde optrådte et yderligere elektrisk felt mellem pladens kanter. Senere blev dette fænomen opkaldt efter opdageren. Hall-effekten har fundet bred anvendelse: den bruges til at måle induktionen af ​​et magnetfelt (Hall-sensorer) samt til at studere de fysiske egenskaber af ledende materialer (ved hjælp af Hall-effekten kan man beregne koncentrationen af ​​strømbærere og deres tegn).

Hall-strømeffektsensormodul ACS712 5A

Der er to typer elektriske strømbærere - positive bærere, der bevæger sig i én retning og negative bærere, der bevæger sig i den modsatte retning.

Negative bærere, der bevæger sig i en bestemt retning gennem et magnetfelt, oplever en kraft, der har tendens til at aflede deres bevægelse fra en lige vej. Positive bærere, der bevæger sig i den modsatte retning gennem det samme magnetfelt, afbøjes i samme retning som negative bærere.

Som et resultat af en sådan afvigelse af alle strømbærere under indflydelse af Lorentz-kræfter til samme side af lederen etableres en bærerpopulationsgradient, og på den ene side af lederen vil antallet af bærere pr. volumenhed være større end på den anden.

Figuren nedenfor illustrerer det overordnede resultat af denne proces, når der er lige mange bærere af to typer.

Her er de potentielle gradienter, der genereres af bærere af to typer, rettet mod hinanden, så deres indflydelse ikke kan detekteres, når de observeres udefra. Hvis bærere af en type er flere end bærere af en anden type, så genererer bærerpopulationsgradienten et Hall-gradientpotentiale, som et resultat af hvilket Hall-spændingen påført ledningen kan detekteres.

Adiabatisk negativ Hall-effekt. Hvis kun elektronerne er ladningsbærere, så peger temperaturgradienten og den elektriske potentialgradient i modsatte retninger.

Adiabatisk halleffekt. Hvis kun hullerne er ladningsbærere, så peger temperaturgradienten og den elektriske potentialgradient i samme retning

Hvis strømmen gennem ledningen under indflydelse af Hall-spændingen er umulig, så mellem af Lorentz styrker og gennem Hallen etableres spændingsligevægt.

I dette tilfælde har Lorentz-kræfter tendens til at skabe en bærerpopulationsgradient langs ledningen, mens Hall-spændingen har en tendens til at genoprette en ensartet populationsfordeling gennem hele ledningens volumen.

Styrken (spænding pr. tykkelsesenhed) af det Hall elektriske felt rettet vinkelret på d strøm- og magnetfeltretninger bestemmes af følgende formel:

Fz = KzVJ,

hvor K.z — Hall-koefficient (dets fortegn og absolutte værdi kan variere betydeligt afhængigt af de specifikke forhold); B - magnetisk induktion og J er tætheden af ​​strømmen, der flyder i lederen (værdien af ​​strømmen pr. enhed af lederens tværsnitsareal).

Figuren viser et ark materiale, der leder en stærk strøm i, når dets ender er forbundet med et batteri. Måler vi potentialforskellen mellem de modsatte sider, vil det give os nul, som vist på figuren til venstre. Situationen ændrer sig, når magnetfeltet B påføres vinkelret på strømmen i arket, vi vil se, at der opstår en meget lille potentialforskel V3 mellem de modsatte sider som vist på figuren til højre.

Udtrykket «adiabatisk» bruges til at beskrive forhold, hvor der ikke er nogen varmestrøm udefra til eller fra det pågældende system.

Der er lag af isoleringsmateriale på begge sider af ledningen for at forhindre strømmen af ​​varme og strøm i den tværgående retning.

Da Hall-spændingen afhænger af den ujævne fordeling af bærere, kan den kun opretholdes inde i kroppen, hvis energien tilføres fra en kilde uden for kroppen.Denne energi kommer fra et elektrisk felt, der skaber en indledende strøm i stoffet. To potentielle gradienter etableres i et galvanomagnetisk stof.

Den initiale potentialgradient er defineret som den initiale strømtæthed ganget med stoffets modstand, og Hall potentialgradienten er defineret som den initiale strømtæthed ganget med Hall-koefficienten.

Da disse to gradienter er indbyrdes vinkelrette, kan vi overveje deres vektorsum, hvis retning vil afvige med en vinkel fra retningen af ​​den oprindelige strøm.

Denne vinkel, hvis værdi er bestemt af forholdet mellem kræfterne i det elektriske felt orienteret i strømmens retning og det elektriske felt, der genereres i strømmens retning, kaldes Hall-vinklen. Den kan være positiv eller negativ i forhold til strømmens retning, afhængigt af hvilke bærere der er dominerende - positive eller negative.

Hall effekt nærhedssensor

Hall-effekten er baseret på påvirkningsmekanismen af ​​en bærer med overvejende saltholdighed, som afhænger af det ledende stofs generelle fysiske egenskaber. For metaller og n-type halvledere er elektroner bærere, for p-type halvledere - huller.

De strømførende ladninger afbøjes til samme side af ledningen som elektronerne. Hvis huller og elektroner har samme koncentration, genererer de to modsatte Hall-spændinger. Hvis deres koncentrationer er forskellige, så dominerer en af ​​disse to Hall-spændinger og kan måles.

For positive bærere er Hall-spændingen, der kræves for at modvirke bærebølgeafbøjninger under indflydelse af Lorentz-kræfter, modsat den tilsvarende spænding for negative bærere. I n-type metaller og halvledere kan denne spænding endda skifte fortegn, når det eksterne felt eller temperaturen ændres.

En Hall-sensor er en elektronisk enhed designet til at detektere Hall-effekten og konvertere dens resultater til data. Disse data kan bruges til at tænde og slukke for kredsløb, kan behandles af en computer og kan forårsage forskellige effekter leveret af enhedsproducenten og softwaren.

I praksis er Hall-sensorer simple, billige mikrokredsløb, der bruger magnetiske felter til at detektere variabler såsom tilgang, hastighed eller forskydning af et mekanisk system.

Hall-sensorer er berøringsfrie, hvilket betyder, at de ikke behøver at komme i kontakt med fysiske elementer, men kan generere et digitalt eller analogt signal afhængigt af deres design og formål.

Hall-effektsensorer kan findes i mobiltelefoner, GPS-enheder, kompasser, harddiske, børsteløse motorer, fabrikkens samlebånd, biler, medicinsk udstyr og mange Internet of Things-gadgets.

Anvendelse af Hall Effect: Hall sensorer og Måling af magnetiske størrelser