В проводнике с током, помещенном в магнитное поле, наводится напряжение в направлении, перпендикулярном направлениям электрического тока и магнитного поля. Явление возникновения такого напряжения называется эффектом Холла, а само наводимое напряжение — напряжением Холла.
В 1879 году американский физик Эдвин Холл (1855 – 1938), работая над своей диссертацией, обнаружил интересный эффект. Он взял тонкую золотую пластину, вдоль которой протекал постоянный электрический ток, и поместил ее в магнитное поле, перпендикулярное плоскости пластины. При этом между краями пластины возникло дополнительное электрическое поле. Данное явление было позже названо именем первооткрывателя. Эффект Холла нашел широкое применение: его используют для измерения индукции магнитного поля (датчики Холла), а также для исследования физических свойств проводящих материалов (с помощью эффекта Холла можно рассчитать концентрацию носителей тока и их знак).
Модуль датчика тока в на эффекте Холла ACS712 5A
Существуют два типа носителей электрического тока — положительные носители, движущиеся в одном направлении, и отрицательные носители, движущиеся в противоположном направлении.
Отрицательные носители, движущиеся в некотором направлении через магнитное поле, испытывают действие силы, стремящейся отклонить их движение от прямолинейной траектории. Положительные носители, движущиеся в противоположном направлении через то же самое магнитное поле, отклоняются в том же направлении, что и отрицательные носители.
В результате такого отклонения всех носителей тока под влиянием сил Лоренца к одной и той же стороне проводника устанавливается градиент заселенности носителей, причем у одной стороны проводника число носителей на единицу объема будет больше, чем у другой.
Ниже на рисунке иллюстрируется общий результат этого процесса, когда имеются одинаковые численности носителей двух типов.
Здесь градиенты потенциала, порождаемые носителями двух типов, направлены противоположно один другому, так что их влияние невозможно обнаружить при наблюдении извне. Если же носители одного типа более многочисленны, чем носители другого типа, то градиент заселенности носителей порождает градиент потенциала Холла, вследствие чего можно обнаружить напряжение Холла, приложенное поперек проводника.
Адиабатический отрицательный эффект Холла. Если носителями заряда являются только электроны, то градиент температуры и градиент электрического потенциала направлены в противоположные стороны.
Адиабатический положительный эффект Холла. Если носителями заряда являются только дырки, то градиент температуры и градиент электрического потенциала направлены в одну и ту же сторону
Если течение тока поперек проводника под влиянием напряжения Холла невозможно, то между силами Лоренца и напряжением Холла устанавливается равновесие.
В этом случае силы Лоренца стремятся создать градиент заселенности носителей поперек проводника, тогда как напряжение Холла стремится восстановить равномерное распределение заселенности по всему объему проводника.
Напряженность (напряжение на единицу толщины) электрического поля Холла, направленного перпендикулярно направлениям й тока, и магнитного поля, определяется следующей формулой:
Fh = КhВJ,
где Кh — коэффициент Холла (его знак и абсолютная величина могут сильно изменяться в зависимости от конкретных условий); В — магнитная индукция и J — плотность тока, текущего в про воднике (значение тока на единицу площади поперечного сечения проводника).
На рисунке показан лист материала, который проводит ток силой i, когда его концы подсоединены к батарее. Если мы измерим разность потенциалов между противоположными сторонами, она даст нам ноль, как показано на рисунке слева. Ситуация меняется, когда магнитное поле B прикладывается перпендикулярно току в листе, мы увидим, что между противоположными сторонами появляется очень малая разность потенциалов VH, как показано на рисунке справа.
Определение «адиабатический» используется для описания условий, когда отсутствуют какие-либо тепловые потоки снаружи в рассматриваемую систему или наружу из системы.
C обеих сторон проводника имеются слои изоляционного материала, предотвращающие тепловые потоки и течение тока в поперечном направлении.
Поскольку напряжение Холла зависит от неравномерности распределения носителей, оно может поддерживаться внутри тела только при условии подачи энергии от некоторого источника, внешнего по отношению к телу. Эта энергия поступает от электрического поля, создающего исходный ток в веществе. В гальваномагнитном веществе устанавливаются два градиента потенциала.
Исходный градиент потенциала определяется как плотность исходного тока, умноженная на удельное сопротивление вещества, а градиент потенциала Холла — как плотность исходного тока, умноженная на коэффициент Холла.
Поскольку эти два градиента направлены взаимно перпендикулярно, можно рассмотреть их векторную сумму, направление которой будет отклонено на некоторый угол от направления исходного тока.
Этот угол, значение которого определяется отношением напряженностей электрического поля, ориентированного поперек направления тока и электрического поля, генерируемого вдоль направления тока, называют углом Холла. Он может быть положительным или отрицательным относительно направления тока в зависимости от того, какие носители преобладают — положительные или отрицательные.
Датчик приближения на эффекте Холла
В основе эффекта Холла лежит механизм влияния носителя с преобладающей засоленностью, который зависит от общих физических свойств проводящего вещества. У металлов и полупроводников n-типа носителями являются электроны, у полупроводников p-типа — дырки.
Несущие ток дырки отклоняются к той же стороне проводника, что и электроны. Если дырки и электроны имеют одинаковые концентрации, то они порождают два противоположных напряжения Холла. Если же их концентрации различаются, то какое-либо из этих двух напряжений Холла преобладает и может быть измерено.
Для положительных носителей напряжение Холла, необходимое для противодействия отклонениям носителя под влиянием сил Лоренца, направлено противоположно соответствующему напряжению для отрицательных носителей. У металлов и полупроводников n-типа это напряжение может даже менять знак при изменении внешнего поля или температуры.
Датчик Холла - это электронное устройство, предназначенное для обнаружения эффекта Холла и преобразования его результатов в данные. Эти данные могут использоваться для включения и выключения схем, могут обрабатываться компьютером и вызывать различные эффекты, обеспечиваемые производителем устройства и программного обеспечения.
На практике датчики Холла представляют собой простые недорогие микросхемы, которые используют магнитные поля для обнаружения таких переменных, как приближение, скорость или смещение механической системы.
Датчики Холла являются бесконтактными, что означает, что они не должны контактировать с какими-либо физическими элементами. Они могут генерировать цифровой или аналоговый сигнал в зависимости от их конструкции и предназначения.
Датчики на эффекте Холла можно найти в мобильных телефонах, устройствах GPS, компасах, жестких дисках, бесщеточных электродвигателях, заводских сборочных линиях, автомобилях, медицинских устройствах и многих гаджетах Интернета вещей.
Применение эффекта Холла: Датчики Холла и Измерение магнитных величин