Hall effekt

Hall-effekten er fænomenet for forekomsten af ​​en potentiel forskel ved kanterne af en metalplade under virkningen af ​​et magnetfelt, når en elektrisk strøm passerer gennem den. I dag bruges det i tastaturer, vaskemaskiner, biler. En interessant artikel om Hall sensorer.

Historien om opdagelsen af ​​

-effekten På Edwin Halls opdagelse af en sådan specifik effekt er lidt kendt. Af en eller anden grund er sådan en væsentlig begivenhed ikke diskuteret i litteraturen. Afsnittet om Hall sensorer nævner, at Edwin lavede nøgle observationer under ph.d.-graden ved Johns Hopkins University i Baltimore. Begivenheden fandt sted i 1879.Dette er alt, hvad der findes i litteraturen om kilder til den store opdagelse.

Nævnte kilde, ikke så diskuteret. Dette er en notat dateret den 19. november i efteråret American Journal of Mathematics of 1879( bind 2, nr. 3).Edwin taler på siderne 287-292 i udgaven:

"Det sidste år har jeg studeret en masse Maxwell Electricity og magnetisme, foredrag af professor Rowland. Separate linjer ramte spotlyset!"Det er nødvendigt at omhyggeligt bemærke, at den kraft, der virker på en leder med strøm, placeret over magnetfeltlinjerne, påføres direkte på materialet. Og hvis du anvender spænding til en disk eller en væske, vil materialet begynde at bevæge sig lydigt til indflydelse fuldt ud, og bevægelsens karakter kan være i overensstemmelse med formen af ​​den elektriske strøm eller være i dissonans. En konstant magnetisk kraft virker på strømmen af ​​ladede partikler. Hvis den nuværende var i stand til at vælge stien gennem tykkelsen af ​​materialet, ville det efter en tid vende tilbage til den foregående bane. EMF fra kilden bliver den eneste virkelige drivkraft. "

Den unge videnskabsmand kom ind for at linjerne direkte er i konflikt med nogle allerede kendte fænomener. Af den simple grund, at kraften, som virker på en ledning med en strøm, afhænger af strømmen af ​​ladningerne. I modsætning hertil opnår materialets form og konfiguration en lille værdi. Til gengæld forklares samspillet mellem afgifter af deres størrelse og tegn, som har været kendt siden Charles Coulombs dage.

Efter Maxwells skrifter kommer Edwins notat om Unipolar Induction( Annales de Chemie et de Physique, januar 1879) over Edwin Halls øjne. Teksten viste, at magneten virker på en fast leder med en strøm af tilsvarende kraft, som om den var frit suspenderet. Hall videresendte spørgsmålet til professor Rowland og modtog som svar en besked om ansættelsen af ​​en stipendiat i øjeblikket. Edwin havde til sin rådighed en tanke værdig til en gåde. Sammen med Professor Hall udviklede han en metode til eksperimentet:

Hvis strømmen ikke opretholder en konstant bevægelsesvej langs ledningen under påvirkning af et magnetfelt, vil ladningstætheden til den ene side blive højere. Hvilket naturligvis øger modstanden af ​​lederen. Derfor forbliver det at bruge Ohms lov til at teste hypotesen.

En fladtrådshelikix( ca. halv millimeter i diameter) af nikkel-sølv( der ligner en Tesla-spole) med en total modstand på 2 ohm, sandwichet mellem to tykke gummi puder, blev valgt til at gennemføre eksperimentet. Ark besluttede at placere mellem de to poler af en magnet af et stort område. Så at linjene af feltstyrken ved hvert punkt er vinkelret på strømstrømmen. Elektromagneten blev drevet af 20 Bunsen elementer forbundet i 4 efter hinanden følgende kæder med 5 grene. Den resulterende intensitet oversteg titusinder gange den vandrette komponent af Jordens magnetfelt.

En måling Whitston bridge blev brugt som en sensor, hvis diagonale indeholdt et galvanometer af Lord Kelvins design. Den tekniske løsning ifølge foreløbige data registrerede ændringen i helixens modstand i en milliontedel af den samlede værdi. Fra 7. til 11. oktober gjorde Edwin Hall 13 eksperimenter, der hver bestod af 40 målinger:

1. Resistance Measurement med magneten på.
2. Ligeledes med magneten slukket.
3. P. 1 med en ændring i polariteten af ​​linjerne i magnetfeltet.
4. gentager afsnit 2.

målinger har vist, at magnetfeltet kan reducere og øge modstanden. Den maksimale stigning var femten hundrededele, gennemsnitsværdien på basis af eksperimenterne viste sig at være meget mindre( fem ppm).Det blev klart, at de trufne handlinger ikke var nok til at gøre visse udtalelser. Det er indlysende, at strømmen næppe anerkendes som inkomprimerbart stof, som det blev antaget før. Det var nødvendigt at forstå, hvorfor resultaterne af de første eksperimenter er så forskellige i betydning og retning af modstandsændring.

Den første Hall sensor

Den første Hall sensor blev designet af Professor Rowland. I samme form, hvor enheden bruges i dag. At se, at Edwins eksperimenter( og hans egen) ikke fører til resultatet, foreslog forelæseren en gammel model af eksperimentet gennem årene( Hall-sensorens design er beskrevet):

1. En ledende disk( eller en plade af anden form) er tændt i det elektriske kredsløb.
2. Ved hjælp af et galvanometer er to equipotentialpunkter placeret på siderne af figuren.
3. Elektromagneten er tændt, hvis feltstyrke linjer ligger i et plan vinkelret på disken.
4. Registrerer ændringer i galvanometerets aflæsninger.

. Det skulle opdage tegn på forandring, når de nuværende strømningsforhold ændrer sig. Forsøget anvendte Hall-sensoren i den aktuelle ydeevne, men oplevelsen mislykkedes. Det antages, at for meget tykkelse af disken er skylden. Professoren bragte dette til Edwins opmærksomhed og udtalte, at situationen er repairable, hvis vi bruger et tyndt guldplade monteret på en glasbase( for at forhindre metallet i at deformere feltet).Erfaringen den 28. oktober, som var helt succesfuld, var i stand til at rette en stabil afbøjning af galvanometernålen under virkningen af ​​et magnetfelt på en plade med en strøm.

Og selvom bevægelsen viste sig at være permanent, forsvandt den hurtigt, det var umuligt at tildele dette til magnetisk induktion( fra Faradays eksperimenter).Hurtigt udelukket den fejl, der blev introduceret af feltet for elektriske solenoider. I horisonten er det klart truende opdagelse. Det er bemærkelsesværdigt, at effekten blev omvendt, da magnetens polaritet ændrede sig. For at fastslå de kvantitative afhængigheder blev anordningen lidt forbedret:

• Stærk kontakt af strømkilden blev tilvejebragt på hver side med messingplader, godt poleret og forsigtigt loddet til guld( 9x2 cm).
• Et rent metal forblev i midten: et område på 5,5 cm i længden og over hele bredden. Her gik magnetfelterne gennem guld.
• Thomsons højmodstands galvanometerkontakter nærmede sig kanterne lige imod messingpladerne.

Under forsøget blev magnetens magnetfelt, strømmen gennem pladen og galvanometret målt. Resultatet blev optaget i form af en tabel, der er vist i figuren, og viser, at Edwin Hall formåede at få de første mønstre. Det skete den 12. november 1879.På trods af at udtrykket til højre har værdier, der adskiller sig med 8%, er det indlysende, at rækkefølgen af ​​tallene er den samme. Og vi vil afskrive afvigelserne på eksperimenter og udstyrs fejl.

Præcise værdier er ikke altid vigtige. I dag anvendes Hall sensorer aktivt som indikatorer for fraværet eller tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt. For eksempel i tastaturer eller motorer af vaskemaskiner.

Anvendelse af Hall Effect i praksis

Allerede sagde( se Hall sensorer) at de første industrielle anvendelser af Hall effekten fandt deres vej i livet i anden halvdel af det 20. århundrede. I dag er lidt over halvdelen af ​​segmentandelen i bilindustrien. Mere præcist kommer der avancerede teknologier på andre områder. For eksempel ASIC og ASSP moduler. Hovedrollen i det tiende år af det 21. århundrede tilhører Asahi Kasei Microsystems( AKM), som leverer kompasser til mobile enheder baseret på Hall-effekten. Blandt de industrielle giganter noterer vi Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Blandt magnetfeltsensorerne baseret på Hall-effekten besidder en æresandel på 87%.

Ofte er sensoren inkluderet i chippen. Den historiske forfader er CMOS serien. På basis heraf blev sensorer integreret i krystallen frigivet til måling af vinklen på gas-, styrings-, distributions- og krumtapakselrotationshastighederne. Teknologien er af stor betydning ved betjening af ventilmotorer, hvor viklingerne skal skiftes på en bestemt måde i henhold til rotorens vinkelposition. Måling af feltets størrelse involverede de nyeste 3D-sensorer, som bestemmer magnetens systemets vinkel og lineære position. Tidligere var det simpelthen faktumet af tilstedeværelsen eller fraværet af et objekt i sigte. Dette er nødvendigt for en vellykket konkurrence med magnetoresistiv teknologi.

I dag betragtes programmerbare konstruktioner som den nyeste mode, hvor forskellige funktioner indtastes ved hjælp af kode. Sensorer kan bruges på forskellige måder. For eksempel er der i overensstemmelse med den følsomme placering af det følsomme område og magneten tilstande:

1. Frontal. I dette tilfælde er magneten direkte modsat sensoren, bevæger sig væk fra den eller nærmer sig i en lige linje. Feltet er afhængigt af afstanden, og loven for udgangssignalet fra afstanden ligner en hyperbolle. Denne tilstand kaldes unipolar, spænding kan ikke ændre retning.
2. Slip. I dette tilfælde er der et mellemrum mellem den følsomme pad og magneten. Denne koordinat forbliver uændret. En magnet kan glide parallelt med sensoren på samme akse. I dette tilfælde ændres feltet ikke, og afhængigheden af ​​udgangssignalet på koordinaten ligger tæt på den gaussiske distribution. Spændingsretningen ændres ikke, derfor kaldes modusen også unipolar.
3. Bipolar Glide. Nogle gange er det nødvendigt at finde ud af i hvilken retning magneten er afbøjet. Og ikke kun bestemme afstanden. I dette tilfælde er magneten brugt hestesko. Derfor frembringer polerne responser af forskellige polariteter. Hvad gav regimets navn.

Disse tilstande anvendes regelmæssigt i kombination. For eksempel, når du skal positionere magneten korrekt i forhold til sensorerne( ved hjælp af aktuatorer), øges udstyrets følsomhed med en stejl karakteristik af afhængigheden af ​​udgangssignalet på koordinaterne. Trebånds magneter med vekslende poler anvendes. Grafikens ekstreme nedstigninger er milde, og den centrale top er udtalt. Hvad opnås nøjagtig positionering af systemet.

For at styrke spændingslinjerne, der giver en klart defineret retning, anvendes poletips. Disse er stykker af metal fra bløde ferromagnetiske legeringer. Når magneten nærmer sig, begynder linjerne at stræbe mod stedet og danner et hul, hvor de forbliver lige. Hvis du placerer Hall-sensoren der, øges systemets følsomhed betydeligt. Til samme formål anvendes biasmagneter, som forbliver på plads og ikke forårsager uafhængig aktivering. Når den bevægende del nærmer sig, stiger densiteten af ​​magnetfeltet kraftigt. Dette forenkler udløsningen og reducerer følsomhedskravene til sensoren.

Tilføjer, at strukturen af ​​udgangssensorerne er analog og digital. I sidstnævnte tilfælde mødes systemet nemt med automatisering, og det målte signal taber ikke længere nøjagtigheden, der overføres til behandling.