Эффект Холла. Основная сущность эффекта Холла заключается в том, что в проводнике с током плотностью j , помещенным в магнитное поле B , возникает электрическое поле в направлении перпендикулярном j и B :

R называется постоянной Холла и служит основной характеристикой эффекта. Эффект был открыт Э.Г. Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота и является одним из наиболее важных гальваномагнитных явлений.

Холл Эдвин Герберт, 1855-1938, американский физик. Родился в Гореми. В 1880 году окончил университет Дж.Гопкинса. В 1881-1921 годах работал в Гарвардском университете, с 1895 года - профессор. Член Национальной АН США с 1911 года. Исследования термоэлектричества, электро- и теплопроводности металлов, термомагнитных и гальваномагнитных явлений.

Соотношение (1) описывает эффект Холла в изотропном (например, поликристаллическом) проводнике в слабом магнитном поле. Для наблюдения эффекта прямоугольные пластины из исследуемого вещества с длиной значительно больше ширины b и толщины d, вдоль которых течет ток I=jbd , помещают в магнитное поле H , перпендикулярное плоскости пластинки. На середине боковых граней перпендикулярно току расположены электроды, между которыми измеряется э.д.с. Холла: V Н =E Н b = RHI / d .

Рис. 1

Эффект Холла объясняется взаимодействием носителей заряда (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. В магнитном поле на заряженные частицы действует сила Лоренца: F = e , где v=j /en - средняя скорость направленного движения носителей в электрическом поле, n - концентрация носителей, e - их заряд. Под действием этой силы частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном B и j . В результате на боковой грани пластины происходит накопление зарядов и возникает электрическое поле Холла E Н , которое, в свою очередь, действуя на заряды, уравновешивает силу Лоренца. При равновесии e E Н = e Bv, откуда:

Отметим, что в формулу не входят никакие другие характеристики электрона, например, его масса, или какие - нибудь другие свойства материала - только электронная плотность. Самое замечательное, что R не зависит от формы образца. То есть даже некоторое количество дырок, просверленных в образце, не измени бы результат. Если электрические контакты не нарушены, то перфорированная металлическая пластина имеет такое же холловское сопротивление, что и целая пластина.

Знак R совпадает со знаком носителей заряда. Для металлов, у которых n~10ІІ см -3 , R~10 -3 см 3 /Кл; у полупроводников R~10 5 см 3 /Кл.

Для анизотропных кристаллов R=r /en, где r - величина, близкая к единице, зависящая от направления магнитного поля относительно кристаллографических осей. В области сильных магнитных полей r= 1.

В полупроводниках в электропроводности участвуют одновременно электроны проводимости и дырки. При этом постоянная Холла выражается через парциальные проводимости электронов у e и дырок у д и их концентрации n e и n д .

Для слабых полей:

Для сильных полей:

Критерием сильного поля является: щ с ф »1, где щ с = e B /m -циклотронная частота. При n e = n д для всех значений B:

Знак R соответствует основным носителям.

Для металлов величина R зависит от зонной структуры (формы Ферми поверхности). Для замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях постоянная Холла изотропна, а выражение для R совпадает с ранее полученным: R=1/en. Для открытых поверхностей Ферми R- тензор. Однако, если направление магнитного поля относительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение для R также совпадает с соотношением (2).

В ферромагнетиках электроны подвергаются совместному действию внешнего магнитного поля и магнитного поля доменов. Это приводит к особому ферромагнитному эффекту Холла. Экспериментально найдено, что E Н = (RB + R 1 M) j, где R - обыкновенная, а R 1 - аномальная постоянная Холла, M - величина намагниченности.

Поскольку эффект Холла не зависит от каких - либо внутренних или внешних характеристик, он стал стандартным методом определения плотности свободных электронов в проводниках. В частности, электронная плотность полупроводников, которая может сильно меняться в зависимости от способа приготовления образца, измеряется при помощи эффекта Холла.

Эффект Холла - один из наиболее продуктивных методов изучения энергетического спектра носителей заряда в металлах и полупроводниках. Зная R можно определить знак носителей заряда и оценить их концентрацию, что позволяет сделать заключение о количестве примесей в полупроводниках. Линейная зависимость R от напряженности магнитного поля используется для измерения H.

Датчики Холла представляют собой тонкую прямоугольную пластинку (площадью несколько ммІ ) или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs). Датчик имеет 4 электрода для подвода тока и съема эдс Холла. Чтобы избежать механических повреждений пластинку монтируют (а пленку напыляют в вакууме) на прочной подложке из диэлектрика (керамики). Для получения наибольшего эффекта толщина пластинки (пленки) делается возможно меньшей. Датчики Холла применяют для бесконтактного измерения магнитных полей - от 10 -6 до 10 5 Э. При измерении слабых магнитных полей датчики Холла монтируются в зазоре ферро- или ферримагнитного стержня (концентратора), что позволяет значительно повысить чувствительность датчика. Так как в полупроводниках концентрация носителей зарядов, а следовательно и постоянная Холла, зависит от температуры датчики для прецизионных измерений необходимо термостабилизировать, либо применять сильно легированные полупроводники (последнее снижает чувствительность датчика).

При помощи датчиков Холла можно измерять любую физическую величину, которая связана с магнитным полем, в частности, силу тока. На основе датчиков Холла созданы бесконтактные амперметры на токи до 100 кА. Датчики Холла применяют также в аналоговых перемножающих устройствах. При этом токи, пропорциональные перемножаемым величинам, используются один для питания датчика, другой для создания магнитного поля, а эдс Холла пропорциональна произведению этих величин. Кроме того, датчики Холла применяют в измерителях линейных и угловых перемещений, а также в измерителях градиента магнитного поля, магнитного потока и мощности электрических машин, в бесконтактных преобразователях постоянного тока в переменный и, наконец, в воспроизводящих головках систем записи.

Применение датчиков на основе эффекта Холла включает в себя выбор магнитной системы и сенсора Холла с соответствующими рабочими характеристиками. Эти два компонента объединяются в единую систему, которая будет удовлетворять данному конкретному применению. Разработано большое количество различных устройств, которые объединяют сенсор и магнитную систему в едином корпусе. Поскольку характеристики такого устройства предопределены, то его применение не требует разработки магнита или сенсора, а состоит в электрическом или механическом сопряжении устройства.

Ползунковый позиционный датчик Ползунковый датчик состоит из системы магнита и датчика Холла с цифровым выходом, как это показано на рисунке 1. Магнит и датчик Холла жестко установлены в одном корпусе из немагнитного материала. Между датчиком и магнитом имеется зазор, в который может проходить железный экран. Датчик Холла детектирует наличие или отсутствие экрана в зазоре.

Возможен другой вариант базовой конструкции, в котором магнит добавлен и со стороны датчика, что уменьшает магнитное сопротивление в зазоре. Магнитные линии, показанные на рисунке стрелками от северного полюса к южному, проходят зазор в датчике. В результате датчик нормально включен. Магнитный поток изменяется, когда металлический экран вводится в зазор. Этот экран замыкает на себя (шунтирует) магнитный поток, поступающий в сенсор. В результате датчик выключается, когда металлический ползунок (экран) введен в зазор и перерывает магнитный поток.

Зависимости магнитного потока от расположения экрана в зазоре показывают, каким образом магнитное поле, детектируемое сенсором Холла, изменяется при прохождении экрана в зазоре. Полагаем, что сенсор имеет две точки, определяющие его состояние - работы и отключения. Когда экран движется слева направо, сенсор находится в состоянии «включено» до тех пор, пока передний край экрана не достигнет точки «b». По достижении этой точки (определенной как «левое выключение») сенсор будет выключен. Если движение экрана продолжается, сенсор будет оставаться в положении «выключено» пока задний конец экрана не достигнет точки «d». По достижении этой точки (определенной как «правое включение») сенсор опять включается. Общее расстояние, проходимое экраном пока сенсор находится в состоянии «выключено» равно расстоянию между точками «b» и «d» плюс ширина экрана.

Если экран движется справа налево, то сенсор будет включен пока передний конец экрана не достигнет точки «с» (определенной как «правое выключение»). Сенсор находится в состоянии «выключено» до тех пор, пока задний конец экрана не достигнет точки «а» (определенной как «левое включение»). Общее расстояние, проходимое экраном пока сенсор находится в состоянии «выключено» равно расстоянию между точками «с» и «а» плюс ширина экрана.

Во многих случаях экран состоит из нескольких «зубцов». Расстояние между отдельными зубцами определяется как «окно». На рис.2 показан экран с двумя зубцами и одним окном. Если этот экран проходит через зазор, то расстояние, в течение которого сенсор находится в состоянии «выключено», равно ширине зуба плюс расстояние между точками «b» и «d», т.е. такое же, как показано на рис.1. Общее расстояние, которое проходит экран при состоянии сенсора «включено», равно ширине окна минус расстояние между точками «b» и «d» или «с» и «а» в зависимости от направления движения.

Параметры ползунковых позиционных датчиков описываются в геометрических размерах экрана и геометрических размерах магнитной системы. Геометрические размеры магнитной системы есть расстояние между правыми и левыми точками включения и выключения, как это описано ранее. Геометрический размеры экрана есть размеры окон и зубцов, обеспечивающие работу сенсора.

Типичные размеры магнитной системы приведены в таблице 1 (расстояние в дюймах относительно опорной точки).

Таблица 1

Типичные параметры экрана приведены в таблице 2 (в дюймах).

Таблица 2

Линейные экраны используются для фиксации линейного перемещения деталей, для индикации положения деталей с круговым перемещением используются дисковые экраны. Следует отметить, что размеры зубцов и окон дискового экрана не одинаковые по внутренней и внешней окружностям, ограничивающим их размеры. Поэтому необходимо тщательно следить за выполнением требований по среднему, минимальному и максимальному размеру зубцов и окон в соответствии с требованиями магнитной системы.

Цифровые токовые датчики . Быстродействующие, автоматически переустанавливаемые токовые датчики могут быть изготовлены с использованием цифрового выхода датчика Холла. Токовый датчик включает электромагнит и сенсор Холла, объединенные в одном корпусе, как это показано на рисунке. Ток, проходящий по катушке электромагнита, генерирует магнитное поле, которое детектируется датчиком Холла. Внешний сигнал изменяет состояние датчика, когда его величина превышает некоторый пороговый уровень. Этот внешний сигнал может использоваться для сигнала тревоги или непосредственно контроля его величины.

Работа токового датчика основана на использовании электромагнита для генерации магнитного поля. Магнитное поле генерируется вокруг проводника при прохождении по нему тока. Плотность магнитного потока пропорциональна величине тока по проводнику. Если проводник выполнен в виде спиральной катушки, то магнитное поле соседних витков складывается. В результате магнитное поле спиральной катушки прямо пропорционально произведению количества витков в катушке и току через катушку.

Проводник, катушка или их комбинация вместе с магнитным материалом представляет собой электромагнит. Магниты предназначены для концентрации магнитного поля в узком зазоре, где и располагается датчик Холла.

Датчик Холла с цифровым выходом работает, как показано на рисунке 3. Датчик находится в состоянии «включено», когда ток превышает пороговое значение и выключается, когда ток падает ниже значения. В идеальном случае датчик включается в тот момент, когда ток достигает значения. Однако, если ток изменяется быстро (с крутым фронтом), возникает вихревой ток (ток, наведенный быстрым изменением плотности магнитного поля). В свою очередь этот ток генерирует магнитное поле, противоположное по отношению к полю от основного тока, что понижает общую плотность магнитного поля, измеряемого датчиком. В результате имеет место задержка между временем достижения током порогового значения и временем включения датчика.

Типовые характеристики цифровых токовых датчиков Холла приведены в таблице 3. Для датчика определяется ток включения и ток выключения. Рабочий ток датчика должен превышать напряжение включения. Сопротивление катушки используется для вычисления падения напряжения (вносимых потерь) и мощности, рассеиваемой на катушке. Температурная стабильность используется для вычисления изменения тока включения и выключения датчика в зависимости от рабочей температуры.

Таблица 3.

Линейные токовые датчики. Токовые датчики с аналоговым выходом могут быть реализованы с использованием линейных сенсоров Холла. Токовый датчик содержит кольцо из феррита или кремнистой стали и микросхему датчика Холла, объединенных в единый корпус. Ток, проходящий через проводник, генерирует магнитное поле. Магнитное кольцо концентрирует магнитный поток в области микросхемы датчика Холла. Линейная зависимость и изолированность от измеряемого тока делает линейный токовый датчик идеальной схемой для контроля двигателя.

Выход интегральной схемы датчика Холла пропорционален току в проводнике, выходной линейный сигнал точно воспроизводит форму измеряемого тока.

Линейный токовый датчик определяет величину магнитного поля, создаваемого протекающим током, но не сам ток. Измеряемый ток проходит кольцо, концентрирующее магнитный поток в области датчика Холла. Форма напряжения на выходе датчика Холла соответствует форме измеряемого тока. Конструктивное исполнение обеспечивает изоляцию датчика и гарантирует нормальную работу при большом токе или высоком напряжении.

Датчик Холла есть устройство измерения отношения. Выходное напряжение датчика будет равно половине напряжения питания, когда измеряемый в проводнике ток равен нулю. Диапазон выходного напряжения составляет от 25% до 75% от напряжения питания (). Когда ток протекает в одном направлении, выходное напряжение повышается от до. Когда ток протекает в противоположном направлении, выходное напряжение понижается до.

Токовые датчики следует использовать в области значений, близких к максимальным, т.к. это уменьшает влияние шумов. Для повышения измеряемого тока до уровня, близкого к максимальному, необходимо увеличивать число витков проводника вокруг сердечника. Например, датчик на 50А пикового значения тока может быть использован для измерения пикового тока через проводник величиной до 10А, если проводник имеет пять витков вокруг сердечника. Изменение расположения проводника на сердечнике не вносит большой ошибки в измерения. Чувствительность датчика также повышается с увеличением количества витков проводника вокруг сердечника.

Как и любой датчик Холла, токовый датчик зависит от температуры. Линейный датчик имеет зависимость от температуры среднего выходного напряжения и чувствительности. Типичным для датчиков является величина температурного коэффициента сдвига среднего напряжения от ± 0.02 до ± 0.05 %/ о С, температурный коэффициент чувствительности примерно ± 0.03 %/ о С.

Сердечник обычно изготавливается из феррита или кремниевой стали. Материал выбирается исходя из параметров насыщения. При некотором значении тока материал сердечника не может поддерживать дальнейшее увеличение магнитного потока и наступает насыщение. Когда это происходит, датчик не обеспечивает повышение выходного напряжения при увеличении напряженности магнитного поля. На точку насыщения влияет величина воздушного зазора в сердечнике. Изменяя величину этого зазора, можно изменять величину тока, которая приводит к насыщению.

Типичные характеристики линейного токового датчика Холла приведены в таблице 4.

Таблица 4

Датчики с замкнутой петлей тока. Одним из вариантов датчиков на основе эффекта Холла являются датчики с замкнутой петлей тока. Датчики с замкнутой петлей усиливают выход датчика Холла для управления током, протекающим через (дополнительную) обмотку проводника вокруг сердечника. Магнитное поле, создаваемое (дополнительным) проводником, направлено в противоположную сторону по сравнению с полем, создаваемым в проводнике первичным измеряемым током. Эффект обратной связи приводит к тому, что суммарное магнитное поле в сердечнике равно нулю, поэтому этот вид датчиков также называется токовыми датчиками с нулевым балансом. Вторичный ток в катушке является зеркальным по отношению к измеряемому току, уменьшенному на количество витков в катушке. Вторичный ток, проходя через нагрузочный резистор, создает выходное напряжение датчика.

Датчики с замкнутой петлей тока имеют некоторые очень интересные характеристики. Обратная связь имеет очень малое время реакции, типично менее одной микросекунды, полоса пропускания петли около 100 КГц. Эти датчики отличаются высокой точностью с линейностью лучше 0.1 %. Все эти параметры превышают те, которые могут быть получены в обычных датчиках с разомкнутой петлей. Однако более высокая цена, большие размеры и повышенный ток потребления датчиков с замкнутой петлей должен быть оправдан соответствующей областью применения, где необходима высокая точность и скорость.

Датчик с замкнутой петлей тока включает несколько дополнительных компонент по сравнению с обыкновенным линейным датчиком. Электронная схема обратной связи (рис.5) содержит операционный усилитель и катушку обратной связи, которые являются главными дополнительными компонентами. Первичный измеряемый ток, протекающий по проводнику внутри сердечника, создает в нем магнитный поток, как и в датчике с открытой петлей. Сердечник собран из тонких, плотно упакованных металлических пластин, что повышает рабочую частоту устройства. Датчик Холла, расположенный в зазоре сердечника, измеряет величину магнитного потока в сердечнике. Выходное напряжение датчика, как и в датчике с разомкнутой петлей, пропорционально величине тока. Выходной сигнал датчика Холла усиливается в схеме обратной связи. Выходной ток усилителя в схеме обратной связи создает в катушке обратной связи вторичное магнитное поле. Величина этого вторичного магнитного поля равна произведению тока на число витков вторичной катушки. Магнитное поле вторичной катушки компенсирует магнитное поле первичного тока, так что суммарное поле равно нулю.

Выходным сигналом датчика Холла с замкнутой петлей является вторичный ток. Когда этот ток проходит нагрузочный (измерительный) резистор, на последнем формируется выходное напряжение, пропорциональное первичному измеряемому току. Постоянный, переменный или импульсный ток могут быть одинаково измерены, причем с сохранением формы первичного тока. Величина нагрузочного (измерительного) резистора в наибольшей степени влияем на максимальную величину тока, который может быть измерен.

Выходной ток не равен точно нулю при нулевом входном токе. Причиной этого является небольшой ток сдвига операционного усилителя и датчика Холла. Типичная величина ошибки равна ± 0.2мА. Случайные искажения могут иметь место, при измерении большой величины постоянного тока, когда датчик находится в нелинейной области. Дрейф величины тока возможен из-за дрейфа операционного усилителя и датчика Холла с температурой на величину примерно ± 0.35мА.

Механические переключатели с датчиками Холла . Механические (плунжерные) переключатели объединяют удобство механического устройства с надежностью твердотельных электронных устройств. Эти переключатели состоят из магнита, соединенного с подвижной частью (плунжером) и датчика Холла, жестко укрепленного на корпусе. С точки зрения пользователя твердотельный ключ имеет те же самые характеристики, что и обычный механический ключ мгновенного действия. Отличительные черты твердотельного устройства - высокая надежность, бесконтактность действия, совместимость с микропроцессорами.

Магнит, размещенный на плунжере, активирует цифровой выход датчика Холла. В нормальном состоянии, когда магнит находится вдали от корпуса, датчик находится в положении «выключено». При нажатии на плунжер магнит приближается к датчику и последний переходит в состояние «включено». Такой тип ключа определяется как нормально выключенный. Нормально включенный ключ получается при замене полюсов магнитной пары.

Механические переключатели с датчиками Холла имеют следующие основные характеристики:

* Максимальное расстояние, которое проходит плунжер из свободного состояния до рабочей точки (2 мм).

* Положение плунжера по отношению к фиксированной точке, где датчик изменяет свое состояние (14 мм).

* Минимальное расстояние, которое плунжер может пройти после рабочей точки (1 мм).

* Максимальное расстояние между точками включения и выключения (?0.3 мм).

Типичный пример программируемых датчиков Холла представляют HAL-805 - датчики магнитного поля с линейным выходным сигналом, основанные на эффекте Холла. Микросхемы производятся по субмикронной CMOS технологии и могут быть использованы для измерения угла и расстояния с помощью внешнего вращающегося или подвижного магнита. Основные характеристики датчиков - интенсивность магнитного поля, чувствительность, выходное напряжение покоя (B = 0,1 мТ), диапазон выходного напряжения - программируются в энергонезависимой памяти. Датчики имеют радиометрический выход, т.е. выходное напряжение пропорционально магнитному полю и напряжению питания.

В конструкцию датчиков входят: элемент Холла со схемой термокомпенсации и компенсацией сдвига, аналого-цифровой преобразователь, цифровой обработчик сигналов, цифро-аналоговый преобразователь с драйвером выхода, EEPROM память с функциями резервирования и блокировки данных калибровки, последовательный интерфейс для программирования EEPROM памяти, защитные компоненты на всех выводах. Большие преимущества дает встроенный цифровой процессор, благодаря которому на точность измерений не влияет аналоговый сдвиг, температурные изменения и механические удары. Калибровка индивидуальных характеристик датчиков и программирование EEPROM осуществляется через компьютерное программное обеспечение Micronas.

Датчики HAL-805 разработаны для тяжелых условий работы в промышленном оборудовании и автомобильной электронике, работают от источника питания 5 В в диапазоне рабочих температур от -40 до 150°C. Датчики корпусируются в стандартные промышленные корпуса ТО-92.

Архитектура датчиков HAL-805 - монолитные микросхемы, которые генерируют выходное напряжение, пропорциональное напряжению питания и приложенному к маркированной стороне корпуса магнитному полю. Микросхемы чувствительны как к северному, так и к южному полюсу магнита. Напряжение Холла конвертируется в цифровой сигнал, обрабатывается цифровым процессором в соответствии с установками EEPROM регистров, конвертируется в аналоговый сигнал, пропорциональный напряжению питания и стабилизируется на push-pull выводе транзистора.

Настройки регистра LOCK не позволяют постоянно программировать EEPROM память. Этот регистр не имеет возможности сброса данных. Пока регистр LOCK не записан, выходные характеристики датчиков можно программировать с помощью EEPROM регистров. Доступ к микросхеме осуществляется модуляцией напряжения питания. В диапазоне питания от 4.5 до 5.5 В датчик генерирует линейный выходной сигнал. После определения команды, датчик считывает или записывает в память данные и выдает цифровой сигнал на выходном контакте. В процессе передачи данных аналоговый сигнал выключается.

Основные характеристики датчиков: высокопрецизионный линейный датчик Холла с радиометрическим выходными сигналом и цифровой обработкой данных; возможность программирования основных рабочих параметров датчиков в энергонезависимой EEPROM памяти с функцией резервирования и блокировки; определение разомкнутой цепи (определение земли и разрыва линии питания); программирования конкретного датчика в ряду параллельно подключенных к источнику питания датчиков (выбор осуществляется через выходной контакт); программирование температурных характеристик для работы с любыми традиционными магнитными материалами; программирование защелки; программирование через модуляцию напряжения питания; диапазон рабочих температур -40…150°С; питание 4.5…5.5 В с возможностью расширения до 8.5 В; работа со статичными и динамичными магнитными полями до 2 кГц; защита от перенапряжения и обратного напряжения на всех выводах;магнитные рабочие характеристики датчиков не зависят от механических стрессов; Push-pull выход с защитой от короткого замыкания; защита от электромагнитных полей и статики

Возможная область применения: бесконтактные потенциометры, датчики угла, измерители расстояния, измерители тока и магнитного поля.

Хотя исследования эффекта Холла в металлах, полупроводниках и ферромагнетиках c момента его открытия велись достаточно интенсивно, принципиально новые фундаментальные результаты были получены в начале 80-х годов ХХ века. Как следствие, за тринадцать лет Нобелевская премия по физике дважды присуждалась за исследование квантового эффекта Холла. Первый раз это была премия, присужденная профессору Марбургского университета (Германия, Гессен) Клаусу фон Клитцингу в 1985 году за открытие квантового эффекта Холла, и второй раз премией были удостоены в 1998 году профессор Стенфордского университета Роберт Лафлин (за интерпретацию дробного квантового эффект Холлла), профессор Колумбийского университета Хорст Штермер и профессор Принстонского университета Даниель Цуи (за открытие и основополагающие работы по дробному квантовому эффекту Холла). Интересно отметить, что открытие квантового эффекта Холла и дробного квантового эффекта Холла состоялось почти одновременно и все основные результаты были опубликованы за весьма короткий период с 1980 по 1983 год. Однако потребовалось еще несколько лет для признания всей важности квантового эффекта Холла и больше 15 лет для того, чтобы разобраться в физической сущности дробного квантового эффекта Холла.

Эффект Холла был обнаружен Эдвином Холлом в 1879 году, но прошло много лет, прежде чем технологическое развитие позволило интегральным схемам в полной мере воспользоваться этим явлением. Сегодня микросхемы датчика Холла предлагают удобный способ для достижения точных измерений тока, которые обеспечивают электрическую изоляцию между путем измеряемого тока и измерительной цепью.

От Лоренца к Холлу

Эффект Холла является продолжением силы Лоренца, которая описывает силу, действующую на заряженные частицы - такие как электрон - движущиеся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено перпендикулярно направлению движения электронов, на электрон действует сила, которая перпендикулярна и направлению движения, и направлению магнитного поля.

Эффект Холла относится к ситуации, в которой сила Лоренца действует на электроны, движущиеся в проводнике, так что разница потенциалов - или другими словами, напряжение - возникает между двумя сторонами проводника.

Следует отметить, что стрелки на втором рисунке показывают направления протекания обычного тока, а это означает, что электроны двигаются в противоположном направлении. Направление силы Лоренца определяется правилом правой руки, учитывающим направление движения электрона относительно магнитного поля. На первом рисунке электрон движется вправо, а сила Лоренца направлена вверх. На втором рисунке электроны движутся влево, а сила Лоренца направлена вниз, и, таким образом, отрицательный заряд накапливается на нижней стороне проводника. Результатом является разность потенциалом, которая возникает между верхней и нижней кромками проводника, с верхним краем более положительным по сравнению с нижним. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла:

Эта формула, которая применяется к токопроводящей пластине, говорит нам, что напряжение Холла зависит от величины тока (I), протекающего через проводник, от магнитной индукции (B), от элементарного заряда электрона (e), количества электронов в единице объема (ρ) и от толщины пластины (t).

Использование эффекта Холла

Напряжения, генерируемые с помощью эффекта Холла малы по отношению к воздействиям шума, смещения и температуры, которые, как правило, влияют на схему, и, таким образом, реальные датчики на основе эффекта Холла не были широко распространены до появления полупроводниковой технологии, позволившей создание компонентов с высокой степенью интеграции, которые включали в себя и элемент Холла, и дополнительную схему, необходимую для усиления напряжения Холла. Тем не менее, датчики на основе эффекта Холла ограничены в своей способности измерять небольшие токи. Например, чувствительность ACS712 от Allegro MicroSystems составляет 185 мВ/А. Это означает, что ток 10 мА создаст выходное напряжение только 1,85 мВ. Это напряжение может быть приемлемым, если у схемы низкий уровень шума, но, если в цепь протекания тока включить резистор 2 Ом, в результате можно получить напряжение 20 мВ, что значительно лучше.

Эффект Холла используется в различных датчиках; устройства, основанные на относительно простой связи между током, магнитным полем и напряжением, могут использоваться для измерения положения, скорости и напряженности магнитного поля. В данной статье мы сосредоточим внимание на устройствах, которые измеряют ток через напряжение Холла, генерируемое, когда магнитное поле, создаваемое измеряемым током, концентрируется в элементе датчика Холла.

Достоинства и недостатки

Характеристики у разных датчиков тока на основе эффекта Холла сильно отличаются, поэтому трудно суммировать достоинства и недостатки использования эффекта Холла относительно другого распространенного способа измерения тока; а именно, вставки прецизионного резистора в цепь протекания тока и измерения появившегося на нем падения напряжения с помощью дифференциального усилителя. В целом, датчики Холла ценятся за «невлияние» и обеспечение электрической изоляции между цепью протекания тока и измерительной цепью. Эти устройства рассматриваются как не оказывающие влияния потому, что в цепь протекания тока не вставляется какого-либо существенного сопротивления, и, таким образом, схема при проведении измерений ведет себя так же, как если бы датчика не было вовсе. Дополнительным преимуществом является то, что датчиком рассеивается минимальная мощность; это особенно важно при измерении больших токов.

Что касается точности, доступные в настоящее время датчики Холла могут достичь минимальной ошибки в 1%. Хорошо продуманный датчик на основе резистора может дать лучший результат, но одного процента, как правило, хватает при работе с большими токами/напряжениями, где и подходит использование датчиков Холла.

Недостатки датчиков Холла включают в себя ограниченный диапазон частот и высокую стоимость. ACS712 работает до 80 кГц, а диапазон Melexis MLX91208, который позиционируется, как «широкополосный», ограничивается верхней границей 250 кГц. Резистивный датчик тока с высокоскоростным усилителем, с другой стороны, может хорошо работать и мегагерцовом диапазоне. Кроме того, как обсуждалось выше, эффект Холла по своей природе имеет ограничение в отношении измерения малых токов.

Изоляция

Одно из главных преимуществ датчиков Холла заключается в электрической изоляции, которую в контексте проектирования схем и систем называют гальванической развязкой. Принцип гальванической развязки используется всякий раз, когда проект требует, чтобы две схемы связывались таким способом, который предотвращает любую возможность протекания между ними электрического тока. Простой пример, когда цифровой сигнал передается через оптоизолятор, который преобразует импульсы напряжения в импульсы света и таким образом передает данные оптическим способом, а не электрическим. Одной из основных причин для реализации гальванической развязки является предотвращение проблем, связанных с земляными контурами:

Основные принципы проектирования схем предполагают, что взаимосвязанные компоненты совместно используют общую точку земли, на которой предполагается 0 В. В реальной жизни, однако, «земля» состоит из проводников, имеющих ненулевое сопротивление, и эти проводники служат в качестве обратного пути протекания тока от схемы назад к источнику питания. Закон Ома напоминает нам, что ток и сопротивление дадут напряжение, и это падение напряжения в обратном пути означает, что «земля» в одной части схемы не точно такая же по потенциалу, как «земля» в другой части схемы. Эта разница в потенциалах земли может привести к проблемам, начиная от незначительных до катастрофических.

Для предотвращения протекания постоянного тока между двумя схемами используется гальваническая развязка, позволяющая успешно общаться схемам с различными потенциалами земли. Это особенно актуально для измерения токов: низковольтный датчик и обрабатывающая цепь могут понадобиться для контроля больших, изменяющихся в больших пределах токов, например, в цепи привода двигателя. Эти большие, быстро изменяющиеся токи приведут к значительным колебаниям напряжения в цепи обратного пути протекания тока. Датчик Холла позволяет системе контролировать ток привода и защитить схему высокоточного датчика от этих вредных колебаний земли.

Синфазное напряжение

Другое важное применение датчиков Холла заключается в измерении токов при работе с высокими напряжениями. В схеме резистивного датчика тока дифференциальный усилитель измеряет разницу между напряжениями на одной стороне резистора и на другой. Проблема возникает, когда эти напряжения велики по сравнению с потенциалом земли:

Реальные усилители имеют ограниченный «диапазон синфазности», что означает, что устройство не будет функционировать должным образом, разница между входными напряжениями мала, и очень велика разница между ними и землей. Диапазоны синфазных входных напряжений токоизмерительных усилителей, как правило, не выходят за пределы 80 или 100 В. С другой стороны, датчики Холла могут преобразовать ток в напряжение без связи с потенциалом земли в измеряемой цепи. Следовательно, пока напряжение не достаточно велико, чтобы вызвать физическое повреждение, синфазное напряжение не влияет на работу датчика Холла.

После проведения эксперимента в 1879 году Эдвином Холлом при пропускании магнитного потока через тонкую пластину из золота было обнаружено возникновение на краях пластины разности потенциалов, то есть образовался эффект Холла.

Определение 1

При помещении в магнитное поле пластины-проводника или полупроводника под 90 ° к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца. Их направление зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, (ЭХ) эффект Холла – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.

Это можно рассмотреть на простейшем примере.

Пример 1

Если представить расположенную к нам торцом пластину, то ее кромка направлена вниз. Она сделана из металла, оба торца подключены к источнику питания, задний из которых на минус, передний на плюс.

Данный случай говорит о том, что электрический ток будет протекать по направлению к наблюдателю. Справа и слева от пластины располагаются два магнита. Правый из них обращен к пластине северным полюсом, левый – южным. Делаем вывод, что данный случай показывает направление силовых линий магнитного поля справа налево, так как они всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Силовые линии отклоняют электроны, которые проходят по пластине к ее верхней кромке.

При изменении направления тока в пластине при помощи перемены местами проводников мы сможем наблюдать отклонение электронов вниз. Если направление не менять, а только лишь полюса магнитов, электроны начнут сдвигаться вниз. Когда применяются оба направления, сила Лоренца произведет их перемещение вверх.

Очевидно, что одна из кромок накапливает отрицательный заряд под действием силы Лоренца, на другая на противоположной стороне – положительный. Это говорит о наличии разности потенциалов между ними, то есть электрического напряжения. Увеличение этой разности будет происходить до тех пор, пока не уравновесит силу Лоренца.

Определение 2

Возникновение разности потенциалов в таких случаях, получило название напряжения Холла , которое можно рассчитать, используя формулу:

U х о л л = - I B e t , где I является силой тока, B – вектором магнитной индукции, e – зарядом электрона, p – количеством электронов в единице объема, t – толщиной пластины.

Аномальный ЭХ

Имеются случаи, когда ЭХ может быть обнаружен в пластине без пропускания через нее магнитного потока. Это возможно при нарушении симметрии по отношению к обращению времени в системе. В частности, аномальный ЭХ способен проявляться в намагниченных материалах.

Квантовый ЭХ

Двумерные газы со средним расстоянием между частицами, уменьшенным до значения длины де Бройля на зависимости поперечного сопротивления к воздействию магнитного поля, подвержены возникновению плато сопротивления в поперечине. ЭХ квантуется только в сильных магнитных полях.

Магнитные потоки, обладающие больше силой индукции, имеют дробный квантовый ЭХ. Он взаимосвязан с перестроением внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Спиновый ЭХ

СЭХ можно наблюдать на не намагниченных проводниках, которые не переместили в поле действия силовых линий магнита. Суть эффекта – отклонение электронов с антипараллельными спинами к противоположным краям пластины.

Применение эффекта Холла

Применение метода Холла связано с изучением особенностей полупроводников. С его помощью стало возможным вычисление количества носителей заряда на единицу объема, а также их подвижность. При его использовании реально отличить электрон от квазичастицы с положительным зарядом.

ЭХ всегда считался основой для разработки датчиков Холла. Аппаратура предназначена для измерения напряженности магнитного поля. Их используют для построения моторов со следящим приводом. В моторах они исполняют роль датчика обратной связи. Они способны измерить угол поворота вала мотора.

Датчики Холла устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, навигационных системах мобильных телефонов, в измерительных приборах для вычисления количества заряда.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || ; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-136785-1", renderTo: "yandex_rtb_R-A-136785-1", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

Эффект Холла и его применение в автомобиле

Недавно мы рассказывали на нашем сайте - прерывателя-распределителя зажигания. На сегодняшний же день трамблер практически не применяется, вместо него установлены гораздо меньшие по размерам и более надежные бесконтактные системы зажигания, работа которых основана на эффекте Холла. Что это такое - попробуем разобраться в этой статье.

В контактных системах распределения зажигания за передачу заряда на каждую из свечей отвечает механический бегунок, который вращается вместе с ротором. Понятно, что механическая система уже по определению не может служить длительное время из-за целого ряда причин:

• износ элементов от трения;
• сгорание контактов под воздействием электрического тока и высоких температур;
• появление люфта, из-за чего приходится постоянно проводить настройку угла распределения зажигания или полностью заменять трамблер.

Однако конструкторы и инженеры постоянно ищут пути оптимизации, поэтому они решили задаться вопросом: каким еще способом можно распределять заряд между свечами, не прибегая к механическим устройствам. Их выбор пал на эффект Холла.

Эдвин Холл в 1879 году обратил внимание на интересное явление - если по проводнику движется электрический ток, то на направление его движения будет оказывать влияние магнитное поле. Говоря простыми словами, электроны будут двигаться перпендикулярно магнитному полю, соответственно на разных концах этого полупроводника можно будет создать разность потенциалов. Влияя же на направление магнитного поля, мы можем сказать, на каких концах данного проводника будет накапливаться электрический импульс.

Понятно, что мы привели приблизительное изложение сути данного эффекта. В учебниках же по физике детально описывается, как на величину потенциала будут влиять различные характеристики:

• сила Лоренца - сила, с которой магнитное поле влияет на отдельно взятый электрон;
• плотность тока;
• концентрация носителей заряда;
• напряженность электрического поля.

На основе всех этих данных была выведена константа Холла, которая определяет, как будет вести себя поток электронов в разных металлах.

Стоит отметить, что эффект Холла практического применения в те далекие времена XIX века не нашел, поскольку люди еще не научились создавать ни магнитные поля нужной напряженности, ни постоянный ток, ни тем более тонкие проводники. То есть в те времена это была чисто теоретическая проблема, которая открывала перед физиками возможности лучше познать устройство мира и его законы.

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || ; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-136785-3", renderTo: "yandex_rtb_R-A-136785-3", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

Применение

На сегодня ситуация коренным образом изменилась и данный эффект используют в самых разных сферах жизни:

• электроника;
• радиоэлектроника;
• моторостроение;
• промышленность и так далее.

Например, если вы скачаете на свой смартфон приложение типа «Компас», или оно у вас уже изначально установлено, то стрелка всегда будет указывать в сторону Северного Полюса как раз благодаря воздействию магнитного поля Земли на поток заряженных частиц. Но поскольку сайт - это портал, посвященный автомобильной тематике, нас больше интересует применение эффекта в автомобилях.

Можно, например, сказать, что датчики, регистрирующие скорость вращения коленчатого вала или колес автомобиля, тоже работают на эффекте Холла.

Но основная область его применения - это система зажигания, и тут можно выделить несколько этапов:

• применение датчика Холла в составе трамблера, где он выполняет роль бегунка, то есть распределяет импульс на контакты разных свечей зажигания;
• датчик Холла применяется вместе с катушками зажигания - трамблера, как такового нет, имеется лишь одна катушка с двойной обмоткой и датчик, с отходящими проводами высокого напряжения к каждой свече;
• полностью бесконтактная система - для каждой свечи имеется своя катушка зажигания.

Ну а в наиболее современных автомобилях потребность в применении датчика Холла в качестве распределителя зажигания отпадает вовсе, к примеру в электронной системе за распределение заряда отвечает электронный блок управления, на который поступают сигналы от датчиков положения коленчатого и распределительного валов. Тем не менее эти датчики работают на основе эффекта Холла.

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || ; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: "R-A-136785-2", renderTo: "yandex_rtb_R-A-136785-2", async: true }); }); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

Электрический ток при его протекании через металл в присутствии магнитного поля производит электрическое напряжение, перпендикулярное направлению и самого тока, и силовых линий магнитного поля.

При движении электрического заряда в магнитном поле на него воздействует отклоняющая сила. Именно на этом принципе основана работа таких экспериментальных установок, как синхрофазотрон, широко использующихся в исследованиях в области физики элементарных частиц: в них заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную (в форме бублика) магнитную ловушку и летают по кругу внутри неё. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи — в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.

Представьте, что на столе перед вами лежит кусок проводящей проволоки, а магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости крышки стола. Если по проволоке пропустить ток, магнитное поле заставит заряды внутри провода отклоняться в одну сторону (вправо или влево от направления тока, в зависимости от ориентации магнитного поля и полярности зарядов). Смещаясь от направления прямолинейного движения внутри проводника, заряды будут скапливаться в приграничной зоне, пока силы взаимного электростатического отталкивания между ними, возникающие в силу закона Кулона , не уравновесят отклоняющую силу воздействия магнитного поля на ток. После этого ток снова потечёт прямолинейно, однако на проводнике возникнет разность электрических потенциалов в плоскости, перпендикулярной как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитного поля, вызванная перераспределением электрических зарядов в плоскости сечения проводника, а величина этой разности потенциалов будет пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.

Первым поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля, по вышеописанной схеме измерил в 1879 году Эдвин Холл. Он осознал, что направление вектора напряжения будет зависеть от того, какие заряды — отрицательные или положительные — являются носителем тока. И, в результате проведённых опытов, Холл первым в мире наглядно продемонстрировал, что электрический ток в металлах создаётся направленным движением отрицательно заряженных электронов. А до этого опыта учёные сомневались и относительно полярности зарядов-носителей тока, и относительно того, воздействует ли магнитное поле на заряженные частицы внутри проводника или на саму неподвижную структуру проводника.

Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klitzing, р. 1943) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что и был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике.

Edwin Herbert Hall, 1855-1938

Американский физик. Родился в г. Грейт-Фолз (ныне Горем), штат Мэн. Поступил в первый набор на физический факультет только что открытого Университета Джонса Гопкинса в Балтиморе — первого американского научно-исследовательского и учебно-образовательного учреждения, смоделированного по образцу немецких научно-исследовательских заведений. Эффект, названный впоследствии его именем, Холл открыл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму. Защитив ее, ученый перешел в Гарвардский университет, где затем прославился инновациями в области преподавания физики в высшей и особенно средней школе.