Adiabatisk negativ och positiv Halleffekt

I en strömförande tråd placerad i ett magnetfält induceras en spänning i en riktning som är vinkelrät mot den elektriska strömmens och magnetfältets riktningar. Fenomenet med utseendet av en sådan spänning kallas Hall-effekten, och den inducerade spänningen i sig kallas Hall-spänningen.

1879 upptäckte den amerikanske fysikern Edwin Hall (1855-1938), när han arbetade med sin avhandling, en intressant effekt. Han tog en tunn guldplatta med likström och placerade den i ett magnetfält vinkelrätt mot plattans plan. I det här fallet uppträdde ett ytterligare elektriskt fält mellan plattans kanter. Senare fick detta fenomen sitt namn efter upptäckaren. Hall-effekten har fått bred tillämpning: den används för att mäta induktionen av ett magnetfält (Hall-sensorer), såväl som för att studera de fysiska egenskaperna hos ledande material (med hjälp av Hall-effekten kan man beräkna koncentrationen av strömbärare och deras tecken).

Hallströmeffektsensormodul ACS712 5A

Det finns två typer av elektriska strömbärare – positiva bärare som rör sig i en riktning och negativa bärare som rör sig i motsatt riktning.

Negativa bärare som rör sig i en viss riktning genom ett magnetfält upplever en kraft som tenderar att avleda deras rörelse från en rak bana. Positiva bärare som färdas i motsatt riktning genom samma magnetfält avböjs i samma riktning som negativa bärare.

Som ett resultat av en sådan avvikelse av alla strömbärare under påverkan av Lorentz-krafter till samma sida av ledaren etableras en bärarpopulationsgradient, och på ena sidan av ledaren kommer antalet bärare per volymenhet att vara större än på den andra.

Figuren nedan illustrerar det övergripande resultatet av denna process när det finns lika många bärare av två typer.

Här är potentialgradienterna som genereras av bärare av två typer riktade mot varandra, så att deras påverkan inte kan upptäckas när de observeras utifrån. Om bärare av en typ är fler än bärare av en annan typ, genererar bärarpopulationsgradienten en Hall-gradientpotential, som ett resultat av vilken Hall-spänningen som appliceras på tråden kan detekteras.

Adiabatisk negativ Hall-effekt. Om bara elektronerna är laddningsbärare så pekar temperaturgradienten och den elektriska potentialgradienten i motsatta riktningar.

Adiabatisk Halleffekt. Om bara hålen är laddningsbärare så pekar temperaturgradienten och den elektriska potentialgradienten åt samma håll

Om strömmen genom ledningen under påverkan av Hall-spänningen är omöjlig, då mellan av Lorentz styrkor och genom Hall etableras spänningsjämvikt.

I detta fall tenderar Lorentz-krafter att skapa en bärarpopulationsgradient längs tråden, medan Hall-spänningen tenderar att återställa en enhetlig populationsfördelning genom hela trådens volym.

Styrkan (spänning per enhet tjocklek) hos det elektriska Hall-fältet riktat vinkelrätt mot d-ström- och magnetfältsriktningarna bestäms av följande formel:

Fz = KzVJ,

där K.z — Hallkoefficient (dess tecken och absoluta värde kan variera avsevärt beroende på de specifika förhållandena); B - magnetisk induktion och J är tätheten av strömmen som flyter i ledaren (värdet på strömmen per enhet av ledarens tvärsnittsarea).

Figuren visar ett materialark som leder en stark ström i när dess ändar är anslutna till ett batteri. Om vi ​​mäter potentialskillnaden mellan de motsatta sidorna kommer det att ge oss noll, som visas i figuren till vänster. Situationen förändras när magnetfältet B appliceras vinkelrätt mot strömmen i arket, vi kommer att se att en mycket liten potentialskillnad V3 uppstår mellan de motsatta sidorna som visas i figuren till höger.

Termen «adiabatisk» används för att beskriva förhållanden där det inte finns något värmeflöde från utsidan till eller från det aktuella systemet.

Det finns lager av isoleringsmaterial på båda sidor av tråden för att förhindra flöde av värme och ström i tvärriktningen.

Eftersom Hall-spänningen beror på den ojämna fördelningen av bärare, kan den bara upprätthållas inuti kroppen om energin tillförs från någon källa utanför kroppen.Denna energi kommer från ett elektriskt fält som skapar en initial ström i ämnet. Två potentialgradienter etableras i en galvanomagnetisk substans.

Den initiala potentialgradienten definieras som den initiala strömtätheten multiplicerad med ämnets resistans, och Hall potentialgradienten definieras som den initiala strömtätheten multiplicerad med Hall-koefficienten.

Eftersom dessa två gradienter är ömsesidigt vinkelräta kan vi betrakta deras vektorsumma, vars riktning kommer att avvika med någon vinkel från den ursprungliga strömmens riktning.

Denna vinkel, vars värde bestäms av förhållandet mellan krafterna i det elektriska fältet orienterat i strömriktningen och det elektriska fältet som genereras i strömriktningen, kallas Hall-vinkeln. Den kan vara positiv eller negativ med avseende på strömriktningen, beroende på vilka bärare som är dominanta – positiva eller negativa.

Halleffekt närhetssensor

Hall-effekten är baserad på påverkansmekanismen för en bärare med övervägande salthalt, vilket beror på det ledande ämnets allmänna fysikaliska egenskaper. För metaller och n-typ halvledare är elektroner bärare, för p-typ halvledare - hål.

De strömförande laddningarna avleds till samma sida av tråden som elektronerna. Om hål och elektroner har samma koncentration genererar de två motsatta Hall-spänningar. Om deras koncentrationer är olika, dominerar en av dessa två Hall-spänningar och kan mätas.

För positiva bärare är Hall-spänningen som krävs för att motverka bärvågsavböjningar under påverkan av Lorentz-krafter motsatt mot motsvarande spänning för negativa bärare. I metaller och halvledare av n-typ kan denna spänning till och med ändra tecken när det yttre fältet eller temperaturen ändras.

En Hall-sensor är en elektronisk enhet utformad för att detektera Hall-effekten och omvandla dess resultat till data. Dessa data kan användas för att slå på och av kretsar, kan bearbetas av en dator och kan orsaka olika effekter från enhetens tillverkare och programvara.

I praktiken är Hall-sensorer enkla, billiga mikrokretsar som använder magnetfält för att detektera variabler som närmande, hastighet eller förskjutning av ett mekaniskt system.

Hallsensorer är beröringsfria, vilket innebär att de inte behöver komma i kontakt med några fysiska element, de kan generera en digital eller analog signal beroende på design och syfte.

Halleffektsensorer finns i mobiltelefoner, GPS-enheter, kompasser, hårddiskar, borstlösa motorer, fabriksmonteringslinjer, bilar, medicinsk utrustning och många Internet of Things-prylar.

Halleffektapplikation: Hallsensorer och Mätning av magnetiska storheter