Hall-Effekt

Der Hall-Effekt ist das Phänomen des Auftretens einer Potentialdifferenz an den Rändern einer Metallplatte unter der Einwirkung eines Magnetfelds, wenn ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird. Heute wird es in Tastaturen, Waschmaschinen, Autos eingesetzt. Ein interessanter Artikel über die Hall-Sensoren.

Die Geschichte der Entdeckung des

-Effekts Über die Entdeckung eines solchen spezifischen Effekts durch Edwin Hall ist wenig bekannt. Aus irgendeinem Grund wird ein solches bedeutendes Ereignis in der Literatur nicht diskutiert. Der Abschnitt über Hall-Sensoren erwähnt, dass Edwin während der Promotion an der Johns Hopkins University in Baltimore wichtige Beobachtungen gemacht hat. Das Ereignis fand 1879 statt. Dies ist alles, was in der Literatur über die Ursprünge der großen Entdeckung zu finden ist.

Erwähnte Quelle, nicht so besprochen. Dies ist eine Notiz vom 19. November im American Journal of Mathematics( 1879)( Bd. 2, Nr. 3).Edwin spricht auf den Seiten 287-292 der Ausgabe:

„Im letzten Jahr habe ich viel Maxwell Electricity und Magnetism studiert, Vorträge von Professor Rowland. Separate Linien stehen im Rampenlicht!„Es ist sehr genau zu beachten, dass die Kraft, die auf einen Stromleiter wirkt, der über die magnetischen Feldlinien verläuft, direkt auf das Material einwirkt. Wenn Sie Spannung an eine Scheibe oder eine Flüssigkeit anlegen, bewegt sich das Material gehorsam, um den Einfluss vollständig zu beeinflussen, und die Art der Bewegung kann mit der Form des elektrischen Stroms übereinstimmen oder mit ihr in Einklang sein. Eine konstante Magnetkraft wirkt auf den Fluss geladener Teilchen. Wenn der Strom wusste, wie er den Weg durch die Dicke des Materials wählen soll, kehrt er nach einiger Zeit zum vorherigen Pfad zurück. Der EMF der Quelle wird zur einzigen wirklichen treibenden Kraft. “

Der junge Wissenschaftler kam zu dem Schluss, dass die Linien direkt mit einigen bereits bekannten Phänomenen kollidieren. Aus dem einfachen Grund, dass die Kraft, die auf einen Draht mit einem Strom wirkt, von der Flussrate der Ladungen abhängt. Im Gegensatz dazu nehmen Form und Konfiguration des Materials einen kleinen Wert an. Die Wechselwirkungen zwischen den Ladungen erklären sich wiederum aus ihrer Größe und ihrem Vorzeichen, die seit den Tagen von Charles Coulomb bekannt sind.

Nach Maxwells Schriften kommt Edwin's Anmerkung zur unipolaren Induktion( Annales de Chemie et de Physique, Januar 1879) Edwin Hall in die Augen. Der Text bewies, dass der Magnet auf einen festen Leiter mit einem Strom ähnlicher Kraft wirkt, als ob er frei hängen würde. Hall leitete die Frage an Professor Rowland weiter und erhielt daraufhin eine Nachricht über die Beschäftigung eines gelehrten Ehemanns. Edwin hatte einen rätselhaften Gedanken zur Verfügung. Zusammen mit Professor Hall entwickelte er eine Methodik für das Experiment:

Wenn der Strom unter Einwirkung eines Magnetfelds keinen konstanten Bewegungspfad entlang des Drahtes aufrechterhält, wird die Ladungsdichte auf einer Seite höher. Das erhöht natürlich den Widerstand des Leiters. Daher ist es weiterhin notwendig, das Ohmsche Gesetz zu verwenden, um die Hypothese zu testen.

Zur Durchführung des Experiments wurde eine flache Drahtspirale( etwa ein halber Millimeter Durchmesser) aus Neusilber( ähnlich einer Tesla-Spule) mit einem Gesamtwiderstand von 2 Ohm zwischen zwei dicken Gummikissen gewählt. Blatt entschied sich, zwischen den beiden Polen eines Magneten eines riesigen Gebiets zu platzieren. Damit sind die Linien der Feldstärke an jedem Punkt senkrecht zur Stromflussrichtung. Der Elektromagnet wurde von 20 Bunsenelementen angetrieben, die in 4 aufeinanderfolgenden Ketten von 5 Ästen miteinander verbunden waren. Die resultierende Intensität übertraf das Zehntausendefache der horizontalen Komponente des Erdmagnetfelds.

Eine messende Whitston-Brücke wurde als Sensor verwendet, deren Diagonale ein Galvanometer nach dem Entwurf von Lord Kelvin enthielt. Die technische Lösung nach vorläufigen Daten verzeichnete die Änderung des Widerstands der Helix in einem Millionstel des Gesamtwerts. Vom 7. bis 11. Oktober führte Edwin Hall 13 Experimente mit jeweils 40 Messungen durch:

1. -Widerstandsmessung mit eingeschaltetem Magnet.
2. Ähnlich bei ausgeschaltetem Magneten.
3. S. 1 mit einer Änderung der Polarität der Linien des Magnetfelds.
4. Wiederholt Absatz 2.

Messungen haben gezeigt, dass das Magnetfeld den Widerstand verringern und erhöhen kann. Der maximale Anstieg betrug fünfzehnhundertstel, der Durchschnittswert auf der Basis der Experimente erwies sich als viel kleiner( fünf ppm).Es wurde deutlich, dass die ergriffenen Maßnahmen nicht ausreichten, um bestimmte Aussagen zu treffen. Es ist offensichtlich, dass die Strömung kaum als inkompressible Substanz erkannt wird, wie zuvor angenommen wurde. Es war notwendig zu verstehen, warum die Ergebnisse der ersten Experimente in ihrer Bedeutung und Richtung der Widerstandsänderung so unterschiedlich sind.

Der erste Hall-Sensor

Der erste Hall-Sensor wurde von Professor Rowland entwickelt. In der gleichen Form, in der das Gerät heute verwendet wird. Da Edwins Experimente( und seine eigenen) nicht zum Ergebnis führen, schlug der Dozent ein altes Modell des über die Jahre durchgeführten Experiments vor( das Design des Hall-Sensors wird beschrieben):

1. Im Stromkreis wird eine leitfähige Scheibe( oder eine Platte einer anderen Form) eingeschaltet.
2. Mit Hilfe eines Galvanometers befinden sich zwei Äquipotentialpunkte an den Seiten der Figur.
3. Der Elektromagnet ist eingeschaltet, dessen Feldstärkelinien in einer Ebene senkrecht zur Scheibe liegen.
4. Zeichnet Änderungen der Messwerte des Galvanometers auf.

: Es sollte Anzeichen einer Veränderung erkennen, wenn sich die Strömungsbedingungen ändern. Das Experiment verwendete den Hall-Sensor in der aktuellen Leistung, aber die Erfahrung schlug fehl. Es wird vermutet, dass zu viel Dicke der Platte Schuld ist. Der Professor machte Edwin darauf aufmerksam und äußerte die Ansicht, dass die Situation reparierbar sei, wenn wir ein dünnes Goldblech auf einem Glassockel verwenden( um zu verhindern, dass das Metall das Feld verformt).Die Erfahrung vom 28. Oktober, die vollkommen erfolgreich war, konnte eine stabile Auslenkung der Galvanometernadel unter der Einwirkung eines Magnetfeldes auf einer Platte mit Strom fixieren.

Und obwohl sich herausstellte, dass die Bewegung dauerhaft war, verschwand sie schnell, es war jedoch unmöglich, dies der magnetischen Induktion zuzuschreiben( aus Faradays Experimenten).Schnell den Fehler aus dem Bereich der Elektromagnete ausgeschlossen. Am Horizont zeichnet sich eindeutig eine Entdeckung ab. Es ist bemerkenswert, dass der Effekt umgekehrt wurde, als sich die Polarität des Magneten veränderte. Zur Ermittlung der quantitativen Abhängigkeiten wurde das Gerät geringfügig verbessert:

• Der starke Kontakt der Stromquelle war auf jeder Seite mit Messingplatten versehen, die poliert und sorgfältig mit Gold( 9x2 cm) verlötet waren.
• In der Mitte verblieb ein reines Metall: eine Fläche von 5,5 cm Länge und über die gesamte Breite. Hier durchliefen die Magnetfeldlinien Gold.
• Die hochohmigen Galvanometer-Kontakte von Thomson näherten sich in gleichem Abstand zu den Messingplatten.

Während des Experiments wurden das Magnetfeld der Solenoide, die Ströme durch die Platte und das Galvanometer gemessen. Das Ergebnis wurde in Form einer Tabelle aufgezeichnet, die in der Abbildung dargestellt ist. Dies zeigt, dass Edwin Hall die ersten Muster erhalten hat. Es geschah am 12. November 1879.Trotz der Tatsache, dass der Ausdruck auf der rechten Seite Werte aufweist, die um 8% abweichen, ist es offensichtlich, dass die Reihenfolge der Zahlen dieselbe ist. Und wir werden die Abweichungen bezüglich der Fehler von Experimentatoren und Geräten abschreiben.

Exakte Werte sind nicht immer wichtig. Hallsensoren werden heute aktiv als Indikatoren für das Fehlen oder Vorhandensein eines Magnetfelds verwendet. Zum Beispiel bei Tastaturen oder Motoren von Waschmaschinen.

Anwendung des Hall-Effekts in der Praxis

Bereits gesagt( siehe Hall-Sensoren) haben die ersten industriellen Anwendungen des Hall-Effekts in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Einzug gehalten. Etwas mehr als die Hälfte des Segmentanteils entfällt heute auf die Automobilindustrie. Genauer gesagt, fortgeschrittene Technologien in anderen Bereichen kommen von dort. Zum Beispiel ASIC- und ASSP-Module. Die Hauptrolle für das zehnte Jahr des 21. Jahrhunderts gehört Asahi Kasei Microsystems( AKM), das Kompasse für mobile Geräte auf Basis des Hall-Effekts liefert. Zu den Industriegiganten zählen Micronas, Infineon, Allegro und Melexis. Bei den auf dem Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensoren liegt der ehrenamtliche Anteil bei 87%.

Oft ist der Sensor im Chip enthalten. Der historische Vorfahre ist die CMOS-Serie. Auf dieser Grundlage wurden im Kristall integrierte Sensoren freigegeben, um den Winkel der Drosselklappen, die Lenkung, die Verteilung und die Drehzahl der Kurbelwelle zu messen. Die Technologie ist für den Betrieb von Ventilmotoren von großer Bedeutung, bei denen die Wicklungen entsprechend der Winkelstellung des Rotors in bestimmter Weise geschaltet werden müssen. Bei der Messung der Feldstärke wurden die neuesten 3D-Sensoren verwendet, die die Winkel- und Linearposition des Magnetsystems bestimmen. Bisher war es einfach die Tatsache, dass ein Objekt in Sicht war oder nicht. Dies ist notwendig für einen erfolgreichen Wettbewerb mit der magnetoresistiven Technologie.

Programmierbare Konstruktionen gelten heute als die neueste Mode, bei der verschiedene Funktionen per Code eingegeben werden. Sensoren können auf verschiedene Arten verwendet werden. Je nach gegenseitiger Position des empfindlichen Bereichs und des Magneten gibt es beispielsweise Modi:

1. Frontal. In diesem Fall liegt der Magnet dem Sensor direkt gegenüber, bewegt sich von ihm weg oder nähert sich in einer geraden Linie. Das Feld hängt quadratisch von der Entfernung ab und das Gesetz des Ausgangssignals von der Entfernung ähnelt einer Übertreibung. Dieser Modus wird als unipolar bezeichnet, die Spannung kann nicht geändert werden.
2. Slip. In diesem Fall besteht eine Lücke zwischen dem empfindlichen Pad und dem Magneten. Diese Koordinate bleibt unverändert. Ein Magnet kann auf derselben Achse parallel zum Sensor gleiten. In diesem Fall ändert sich das Feld nicht, und die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Koordinate liegt nahe an der Gaußschen Verteilung. Die Spannungsrichtung ändert sich nicht, daher wird der Modus auch als unipolar bezeichnet.
3. Bipolares Gleiten. Manchmal ist es notwendig herauszufinden, in welche Richtung der Magnet abgelenkt wurde. Und nicht nur die Entfernung bestimmen. In diesem Fall wird der Magnet als Hufeisen verwendet. Dementsprechend erzeugen die Pole Antworten mit unterschiedlichen Polaritäten. Wie war der Name des Regimes?

Diese Modi werden periodisch in Kombination verwendet. Wenn Sie beispielsweise den Magneten( mit Hilfe von Aktuatoren) relativ zu den Sensoren positionieren müssen, steigt die Empfindlichkeit des Geräts mit einer steilen Kennlinie der Abhängigkeit des Ausgangssignals von den Koordinaten. Es werden Dreibandmagnete mit alternierenden Polen verwendet. Die extremen Abfahrten des Diagramms sind sanft und der zentrale Peak ist ausgeprägt. Was ist genaue Positionierung des Systems erreicht.

Um die Spannungslinien zu stärken und eine klar definierte Richtung zu erhalten, werden Polspitzen verwendet. Dies sind Metallstücke aus weichen ferromagnetischen Legierungen. Wenn sich der Magnet nähert, streben die Linien in Richtung des Ortes und bilden eine Lücke, wo sie gerade bleiben. Wenn Sie den Hall-Sensor dort platzieren, erhöht sich die Empfindlichkeit des Systems erheblich. Zu demselben Zweck werden Vormagnetisierungsmagneten verwendet, die an Ort und Stelle verbleiben und keine unabhängige Betätigung bewirken. Wenn sich der bewegliche Teil nähert, steigt die Dichte des Magnetfelds stark an. Dies vereinfacht das Auslösen und reduziert die Anforderungen an die Sensorempfindlichkeit.

Fügen Sie hinzu, dass der Aufbau der Ausgangssensoren analog und digital ist. Im letzteren Fall passt sich das System problemlos an die Automatisierung an, und das gemessene Signal verliert nicht mehr an Genauigkeit und wird zur Verarbeitung übertragen.