Hallův efekt

Hallův efekt je fenomén výskytu rozdílu potenciálů na okrajích kovové desky pod působením magnetického pole, když prochází elektrickým proudem. Dnes se používá v klávesnicích, pračkách, automobilech. Zajímavý článek o Hallových senzorech.

Historie objevu efektu

Na objevení takového specifického efektu Edwin Hallem je málo známo. Z nějakého důvodu se taková významná událost v literatuře netýká.V části o Hallových senzorech se uvádí, že Edwin uskutečnil klíčová pozorování během doktorského studia na univerzitě Johns Hopkins v Baltimore. Tato událost nastala v roce 1879.To je vše, co se v literatuře objeví ohledně původu velkého objevu.

Uvedený zdroj, který nebyl tak diskutován. Toto je poznámka z 19. listopadu na podzim amerického žurnálu matematiky z roku 1879( díl 2, č. 3).Edwin hovoří na stránkách 287-292 vydání:

"Během uplynulého roku jsem studoval hodně Maxwell Electricity a magnetismu, přednášky profesora Rowlanda. Samostatné linky zasáhly reflektor!"Je třeba důkladně poznamenat, že síla působící na vodič s proudem, umístěný napříč linií magnetického pole, se aplikuje přímo na materiál. A pokud použijete napětí na disk nebo na kapalinu, materiál se začne pohybovat poslušně k vlivu plně, a povaha pohybu může být v souladu s tvarem elektrického proudu, nebo být v nesouladu s ním. Na tok nabitých částic působí konstantní magnetická síla. Pokud by proud mohl zvolit cestu přes tloušťku materiálu, pak by se po určité době vrátil k předchozí trajektorii. EMF zdroje se stává jedinou skutečnou hnací silou. "

Mladý vědec si uvědomil, že linie přímo narují na některé již známé jevy. Z jednoduchého důvodu, že síla působící na drát s proudem závisí na rychlosti toku nábojů.Naproti tomu tvar a konfigurace materiálu získávají malou hodnotu. Na druhé straně interakce mezi náboji jsou vysvětleny jejich velikostí a znamením, které bylo známo od dob Charlesa Coulomba.

Po Maxwellových spisech Edwinova poznámka o Unipolárním indukci( Annales de Chemie et de Physique, leden 1879) narazí na Edwina Hallovy oči. Text prokázal skutečnost, že magnet působí na pevný vodič s proudem podobné síly, jako kdyby byl volně zavěšen. Sál předal otázku profesorovi Rowlandovi a v reakci na něj obdržel zprávu o zaměstnání vědeckého manžela. Edwin měl k dispozici myšlenku hodnou hádanky. Spolu s profesorem Hallem vyvinul metodiku experimentu:

Pokud proud neudržuje konstantní dráhu pohybu pod drátem působením magnetického pole, hustota nábojů na jedné straně se zvýší.To přirozeně zvyšuje odpor vodiče. Proto zůstává používat Ohmův zákon k testování hypotézy.

Byla vybrána plochá drátěná šroubovice( o průměru asi půl milimetru) z niklového stříbra( připomínající Teslovu cívku) s celkovým odporem 2 ohmy, vložená mezi dvě tlusté gumové podložky. List se rozhodl umístit mezi dva póly magnetu rozsáhlé oblasti. Aby byly řádky intenzity pole v každém bodě kolmé ke směru toku proudu. Elektromagnet byl poháněn 20 Bunsenovými prvky spojenými ve 4 po sobě následujících řetězcích po 5 větvích. Výsledná intenzita překročila desítky tisíckrát horizontální složku magnetického pole Země.

Měřící Whitstonův můstek byl použit jako snímač, jehož úhlopříčka zahrnovala galvanometr konstrukce lorda Kelvina. Technické řešení podle předběžných údajů zaznamenalo změnu odporu šroubovice v milionu celkové hodnoty. Od 7. do 11. října provedl Edwin Hall 13 experimentů, z nichž každý sestával z 40 měření: měření odporu

1. s magnetem zapnutým.
2. Stejně jako je magnet vypnutý.
3. P. 1 se změnou polarity linií magnetického pole.
4. Opakuje odstavec 2.

Měření

ukázala, že magnetické pole může snížit a zvýšit odpor. Maximální nárůst byl patnáct setin, průměrná hodnota výsledků experimentů se ukázala být mnohem menší( pět ppm).Zjistilo se, že přijaté kroky nestačily na to, aby učinily určité prohlášení.Je zřejmé, že proud je těžko rozpoznán jako nestlačitelná látka, jak tomu bylo dříve. Bylo nutné pochopit, proč jsou výsledky prvních experimentů tak odlišné ve smyslu a směru změny odporu.

První hallový snímač

První snímač Hall byl navržen profesorem Rowlandem. Ve stejné podobě, ve které je zařízení používáno dnes. Když viděli, že Edwinovy ​​experimenty( a jeho vlastní) nevedou k výsledku, lektor navrhl starý model experimentu, který byl proveden v průběhu let( popsáno je návrh Hallova snímače):

1. V elektrickém obvodu je zapnut vodivý disk( nebo deska jiného tvaru).
2. Pomocí galvanometru jsou na stranách obrázku dva ekvipotenciální body.
3. Je zapnut elektromagnet, jehož linie intenzity pole leží v rovině kolmé k disku.
4. Zaznamenává změny v odečty galvanometru.

. Byla zjištěna známka změn při změně aktuálních podmínek toku. Experiment použil snímač Hall v aktuálním výkonu, ale zkušenost selhala. To je věřil, že příliš mnoho tloušťky disku je na vině.Profesor přinesl to Edwinovi pozornost a vyjádřil názor, že situace je opravitelná, pokud použijeme tenkou zlatou desku namontovanou na skleněnou základnu( aby se zabránilo deformaci pole).Zkušenost ze dne 28. října, která byla naprosto úspěšná, dokázala zachytit stabilní odchylku jehly galvanometru pod působením magnetického pole na desce s proudem.

A ačkoli se pohyb ukázal být trvalý, rychle zmizel, nebylo možné ho přiřadit magnetické indukci( od Faradayových experimentů).Rychle vyloučila chybu zavedenou pole elektrických solenoidů.Na obzoru se jasně objevuje objev. Je pozoruhodné, že efekt byl obrácen, když se změnila polarita magnetu. Pro zjištění kvantitativních závislostí bylo zařízení mírně vylepšeno:

• Silný kontakt napájecího zdroje byl proveden na obou stranách mosaznými deskami, dobře leštěnými a pečlivě připájenými na zlato( 9x2 cm).
• V centru se nacházel čistý kov: oblast o délce 5,5 cm a po celé šířce. Tady řady magnetického pole prošly zlato.
• Kontaktní kontakty s vysoce odolným galvanometrem společnosti Thomson se blížily k okrajům, které se nacházejí rovnoměrně od mosazných desek.

Během experimentu bylo měřeno magnetické pole solenoidů, proudy přes desku a galvanometr. Výsledek byl zaznamenán ve formě tabulky na obrázku, ukazující, že Edwin Hall získal první vzory. Stalo se to 12. listopadu 1879.Navzdory skutečnosti, že výraz vpravo má hodnoty, které se liší o 8%, je zřejmé, že pořadí čísel je stejné.A odpisujeme odchylky od chyb experimentátorů a vybavení.

Přesné hodnoty nejsou vždy důležité.Dnes jsou Hallovy senzory aktivně používány jako indikátory nepřítomnosti nebo přítomnosti magnetického pole. Například v klávesnicích nebo v motorech praček.

Aplikace halového efektu v praxi

Již uvedlo( viz Hallovy senzory), že první průmyslové aplikace Hallova efektu se dostaly do života v druhé polovině 20. století.Dnes je více než polovina podílu segmentu v automobilovém průmyslu. Přesněji řečeno - od té doby pocházejí moderní technologie v jiných oblastech. Například moduly ASIC a ASSP.Vedoucí roli desátého roku 21. století patří společnosti Asahi Kasei Microsystems( AKM), která dodává kompasům pro mobilní zařízení založené na Hallově efektu. Mezi průmyslovými giganty zaznamenáváme Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Mezi snímači magnetického pole založenými na Hallově efektu zaujímá čestný podíl 87%.

Čidlo je často součástí čipu. Historickým předkem je série CMOS.Na svém základě byly uvolněny snímače integrované do krystalu pro měření úhlu rychlosti otáčení škrticí klapky, řízení, rozvodu a klikového hřídele. Tato technologie má velký význam při provozu ventilových motorů, kde je třeba vinutí určitým způsobem přepínat podle úhlové polohy rotoru. Měření velikosti pole zahrnovalo nejnovější 3D senzory, které určují úhlovou a lineární polohu systému magnetů.Předtím to bylo prostě skutečnost přítomnosti nebo nepřítomnosti objektu v dohledu. To je nezbytné pro úspěšnou soutěž s magnetorezistickou technologií.

Dnes programovatelné konstrukce jsou považovány za nejnovější módu, kde jsou zadávány různé funkce pomocí kódu. Senzory mohou být použity různými způsoby. Například podle vzájemné polohy citlivé oblasti a magnetu existují režimy:

1. Frontal. V tomto případě je magnet přímo oproti snímači, pohybuje se od něj nebo se přibližuje v přímce. Pole závisí kvadraticky na vzdálenosti a zákon výstupního signálu ze vzdálenosti se podobá hyperbole. Tento režim se nazývá unipolární, napětí nemůže změnit směr.
2. Slip. V tomto případě existuje mezera mezi citlivou podložkou a magnetem. Tato souřadnice zůstává nezměněna. Magnet se může posunout rovnoběžně se snímačem na stejné ose. V tomto případě se pole nemění a závislost výstupního signálu na souřadnici se blíží Gaussovské distribuci. Směr napětí se nemění, proto se režim nazývá také unipolární.Bipolární skluzavka
3. .Někdy je nutné zjistit, kterým směrem se magnet odklonil. A nejen určovat vzdálenost. V tomto případě se magnet používá podkovy. V souladu s tím póly vytvářejí reakce různých polarit. Co dalo jméno režimu.

Tyto režimy jsou periodicky používány v kombinaci. Například, když potřebujete přesně umístit magnet vzhledem ke snímačům( pomocí pohonů), citlivost zařízení se zvyšuje se strmou charakteristikou závislosti výstupního signálu na souřadnicích. Používají se třípásmové magnety se střídavými póly. Extrémní sestupy grafu jsou jemné a středový vrchol je výrazný.Co je dosaženo přesné umístění systému.

Pro posílení linií napětí, které dávají jasně definovaný směr, se používají špičky sloupu. Jedná se o kusy kovu z měkkých feromagnetických slitin. Když magnet přistoupí, začnou se linky směřovat k místu, čímž vznikne mezera, kde zůstanou rovná.Pokud umístíte senzor Hall, citlivost systému se výrazně zvýší.Pro stejný účel se používají polarizační magnety, které zůstávají na místě a nezpůsobují nezávislé ovládání.Při přibližování pohyblivé části se hustota magnetického pole prudce zvyšuje. To zjednodušuje spouštění a snižuje požadavky na citlivost snímače.

Přidejte, že struktura senzorů výstupního signálu je analogová a digitální.V druhém případě se systém snadno spojuje s automatizací a měřený signál již ztrácí přesnost a je přenášen pro zpracování.