Эффект Холла

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами – это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Что такое эффект Холла

Для повторения классического эксперимента не обязательно применение ценных металлов. Чтобы зарегистрировать возникновение разницы потенциалов, вполне достаточно чувствительности серийного лабораторного вольтметра. Сильный однородный магнитный поток обеспечить несложно, если подобрать подходящие изделия из неодимовых сплавов.

Что такое Холла эффект, можно выяснить с помощью наглядного эксперимента

Что такое Холла эффект, можно выяснить с помощью наглядного эксперимента

Если расположить проводник (пластину) в магнитном поле, как показано на рисунке, на торцах будет измеряться напряжение. Серией элементарных опытов можно обнаружить закономерность изменения показаний при увеличении (уменьшении) силы тока в рабочей цепи.

На этом принципе основано практическое применение эффекта Холла (ЭХ). По этой схеме выполняют измерение электрических параметров, не нарушая целостность токопроводящих цепей. Бесконтактный метод позволяет надежно изолировать датчик от неблагоприятных внешних воздействий. Такие методики помогают продлить долговечность оборудования, которое эксплуатируют в сложных условиях. В частности, подобные решения применяют в конструкциях автомобильной и авиационной техники.

История открытия эффекта

Об открытии Эдвином Холлом столь специфичного эффекта известно мало. По какой-то причине столь значительное событие не обсуждается в литературе. Раздел про датчики Холла упоминает, что Эдвин сделал ключевые наблюдения в период соискания степени доктора наук Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Событие произошло в 1879 году. Это все, что отыщется в литературе касательно вопроса истоков великого открытия.

Эдвин Холл

Эдвин Холл

Упоминается источник, не столь обсуждаемый. Это заметка, датированная 19 ноября, в осеннем Американском журнале математики 1879 года (т. 2, № 3). Эдвин говорит на страницах 287-292 издания:

«За последний год я много занимался изучением Максвелловского Электричества и магнетизма, лекций профессора Роуланда. Отдельные строки задели внимание! «Нужно скрупулёзно отметить факт, что сила, действующая на проводника с током, расположенный поперёк линий магнитного поля, приложена непосредственно к материалу. И если приложить напряжение к диску или жидкости, материал станет двигаться послушно оказанному влиянию в полной мере, причём характер перемещения может оказаться согласован с формой электрического тока либо находиться с ней в диссонансе. Постоянная магнитная сила действует на поток заряженных частиц. Если бы ток умел выбирать путь сквозь толщу материала, то через время вернулся бы на прежнюю траекторию. Единственной реальной движущей силой становится ЭДС источника.»

Молодому учёному пришло на ум, что строки прямо вступают в противоречие с отдельными уже известными явлениями. По простой причине, что сила, действующая на провод с током, зависит от скорости течения зарядов. В противовес этому форма и конфигурация материала обретают малое значение. В свою очередь, взаимодействия между зарядами объясняются их величиной и знаком, что известно со времён Шарля Кулона.

После трудов Максвелла на глаза Эдвину Холлу попадается заметка профессора Эдлунда под названием «Униполярная индукция» (Annales de Chemie et de Physique, январь 1879). По тексту доказывался факт, что магнит действует на зафиксированный проводник с током аналогичным усилием, как на свободно подвешенный. Холл переадресовал вопрос профессору Роуланду и получил в ответ сообщение о занятости учёного мужа на данный момент. Эдвин получил в собственное распоряжение достойную размышлений загадку. Совместно с профессором Холл разработал методику эксперимента:

Если ток не сохранит постоянного пути движения по проводу под действием магнитного поля, плотность зарядов к одному боку станет выше. Что закономерно увеличит сопротивление проводника. Следовательно, останется воспользоваться законом Ома для проверки гипотезы.

Для реализации опыта выбрана плоская спираль из проволоки (диаметром порядка половины миллиметра) нейзильбера (напоминающая по форме катушку Тесла) общим сопротивлением 2 Ом, зажатая между двумя прокладками из плотной резины. Лист решили поместить между двумя полюсами магнита обширной площади. Так, чтобы линии напряжённости поля в каждой точке оказались перпендикулярны направлению протекания тока. Электромагнит питался от 20 элементов Бунзена, соединённых по 4 последовательные цепочки в 5 ветвей. Результирующая напряжённость превышала в десятки тысяч раз горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

В качестве датчика использовался измерительный мост Витстона, по диагонали которого включили гальванометр конструкции лорда Кельвина. Техническое решение по предварительным данным фиксировало изменение сопротивление спирали в миллионную долю от общего значения. С 7 до 11 октября Эдвин Холл проделал 13 экспериментов, каждый состоял из 40 измерений:

  1. Измерение сопротивления с включённым магнитом.
  2. Аналогично с выключенным магнитом.
  3. П. 1 со сменой полярности линий напряжённости магнитного поля.
  4. Повторяет п. 2.

Измерения показали, что магнитное поле способно снижать и увеличивать сопротивление. Максимальный прирост составил пятнадцать сотых, среднее значение по итогам опытов оказалось намного меньше (пять миллионных долей). Стало ясно, что осуществлённых действий недостаточно, чтобы сделать определённые утверждения. Очевидно, что ток вряд ли признаётся несжимаемой субстанцией, как считали прежде. Требовалось понять, почему результаты первых опытов столь различны по значению и направлению изменения сопротивления.

Возникновение разности потенциалов

Возникновение разности потенциалов

Описание сути явления

Возникновение разности потенциалов в проводнике с током под воздействием магнитного поля называют эффектом Холла.

Электропроводность металлов зависит от концентрации электронов проводимости (n) и их подвижности (b). Данные величины являются весьма важными характеристиками металла и определяются опытным путем. Так, для измерения концентрации электроном используют эффект Холла. Рассмотрим проводник в виде прямоугольной пластины, в которой течет ток плотности $\overrightarrow{j.}$ Эквипотенциальными поверхностями внутри этой пластины являются плоскости, перпендикулярные направлению тока, следовательно, разность потенциалов на рис.1 между точками (1 и 2) равна нулю.

Эффект Холла

Рис. 1

Если в металле создать магнитное поле, которое будет перпендикулярно току, то между точками 1 и 2 (рис.1) возникнет разность потенциалов, которая говорит о том, что при наличии магнитного поля эквипотенциальные поверхности в пластинке отклоняются от первоначального положения. В возникновении поперечной разности потенциалов заключается эффект Холла.

Готовые работы на аналогичную тему

Виды

В классическом варианте эффект холла это перемещение в определенном направлении зарядов при воздействии магнитного поля. Ниже представлены особенности разных видов явления, которые основаны на иных принципах.

Аномальный

В этом случае главная особенность заключается в том, что разница потенциалов регистрируется без воздействия магнитного поля. Подобные явления наблюдают в изделиях с намагниченными свойствами.

Квантовый

Эта разновидность ЭХ определяется появлением квантовых характеристик сопротивления при существенном снижении температуры образца. Экспериментально подтверждена зависимость проводимости от силовых параметров магнитного поля при сохранении постоянства концентрации носителей зарядов.

Дробный

Такое явление – разновидность рассмотренного выше квантового ЭХ. Его зарегистрировали в ходе последовательного увеличения магнитной индукции.

Спиновый

В этом варианте для экспериментов используют проводники с немагнитными характеристиками. Внешнее поле отсутствует. Наблюдают смещение зарядов в противоположных направлениях.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

биполярный датчик холла

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

ss41 распиновка выводов

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

как проверить датчик холла

Теперь цепляемся к нашей схеме от блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс питания – на первый.

работа датчика холла

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Датчик Холла

Чтобы не перепутать полюса, я пометил красным бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать, где северный полюс, а где южный.

Датчик Холла

Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Датчик Холла

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Датчик Холла

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль.

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:

синфазное напряжение

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.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков

  • датчики тока
  • тахометры
  • датчики вибрации
  • детекторы ферромагнетиков
  • датчики угла поворота
  • бесконтактные потенциометры
  • бесколлекторные двигатели постоянного тока
  • датчики расхода
  • датчики положения

Применение цифровых датчиков

  • датчики частоты вращения
  • устройства синхронизации
  • датчики систем зажигания автомобилей
  • датчики положения
  • счетчики импульсов
  • датчики положения клапанов
  • блокировка дверей
  • измерители расхода
  • бесконтактные реле
  • детекторы приближения
  • датчики бумаги (в принтерах)

Теги

Гальваническая развязкаДатчикДатчик токаДатчик ХоллаЗемляная петляИзмерениеИзмерение токаМагнитное полеЭлектрический токЭффект Холла

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.

Видео

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-214’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-214’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; 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’);

“+”ipt>”;cachedBlocksArray[80435] = “

“;cachedBlocksArray[80432] = “

“;cachedBlocksArray[80429] = “

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-181’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-181’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘display:block;text-align:center;width:660px;height:420px;’ g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘6458750303’); g.setAttribute(‘data-ad-format’, ‘Rectangle’); g.setAttribute(‘data-ad-layout’, ‘true’); g.setAttribute(‘data-full-width-responsive’, ‘in-article’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-181’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; 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’);

“+”ipt>”;cachedBlocksArray[80428] = “

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-180’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-180’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘5810429370’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-180’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; 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’);

“+”ipt>”;cachedBlocksArray[80427] = “

“;cachedBlocksArray[80426] = “

“;cachedBlocksArray[80425] = “

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-162’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-162’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘2323428743’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-162’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; 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’);

“+”ipt>”;cachedBlocksArray[80424] = “

“;cachedBlocksArray[80423] = “

“;cachedBlocksArray[80422] = “

“;cachedBlocksArray[80441] = “

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-217’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-217’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; 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’);

“+”ipt>”;cachedBlocksArray[80434] = “

“;cachedBlocksArray[80433] = “

“+”ipt>

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

“+”ipt>”;

Оценка статьи:

loading.gif

Загрузка…

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом