Hall-vaikutus

Hall-vaikutus on ilmiö, jossa esiintyy mahdollinen ero metallilevyn reunoilla magneettikentän vaikutuksen alaisena, kun sähkövirta kulkee sen läpi. Nykyään sitä käytetään näppäimistöissä, pesukoneissa, autoissa. Mielenkiintoinen artikkeli Hall-antureista.

-vaikutuksen löytämisen historia Edwin Hallin havaitsema tällainen erityinen vaikutus on vähän tiedossa. Jostain syystä tällaista merkittävää tapahtumaa ei käsitellä kirjallisuudessa. Hall-antureiden osiossa mainitaan, että Edwin teki keskeisiä havaintoja Johns Hopkinsin yliopistossa Baltimoressa. Tapahtuma tapahtui vuonna 1879.Tämä on kaikki, mitä löytyy kirjallisuudesta suuren löydön alkuperän suhteen.

Mainittu lähde, ei niin keskusteltu. Tämä on 19. marraskuuta päivätty muistio syksyllä American Journal of Mathematics of 1879( Vol. 2, No. 3).Edwin puhuu painoksen sivuilta 287-292:

”Viime vuoden aikana olen opiskellut paljon Maxwellin sähköä ja magnetismia, professori Rowlandin luentoja. Erilliset linjat osuvat valokeilaan!”On välttämätöntä huomata tarkasti se, että magneettikentän viivojen yli johtavaan johtimeen kohdistuva voima levitetään suoraan materiaaliin. Ja jos käytät jännitettä levylle tai nesteelle, materiaali alkaa liikkua tottelevaisesti täysin vaikutukseen, ja liikkeen luonne voi olla yhdenmukainen sähkövirran muodon kanssa tai olla ristiriidassa sen kanssa. Tasainen magneettinen voima vaikuttaa varautuneiden hiukkasten virtaukseen. Jos virta pystyisi valitsemaan polun materiaalin paksuuden läpi, niin sen jälkeen se palaisi edelliseen reittiin. Lähteen EMF on ainoa todellinen liikkeellepaneva voima. ”

Nuori tutkija tuli mieleen, että linjat ovat ristiriidassa joidenkin jo tunnettujen ilmiöiden kanssa. Yksinkertaisesta syystä, että virta, joka vaikuttaa virtaukseen, riippuu varausten virtausnopeudesta. Sen sijaan materiaalin muoto ja konfiguraatio saavat pienen arvon. Maksujen vuorovaikutus selittyy puolestaan ​​niiden suuruuden ja merkin perusteella, joka on tunnettu Charles Coulombin päivistä.

Maxwellin kirjoitusten jälkeen Edwinin huomautus Unipolaarisesta induktiosta( Annales de Chemie et de Physique, tammikuu 1879) tulee Edwin Hallin silmiin. Teksti osoitti, että magneetti vaikuttaa kiinteään johtimeen, jolla on samanlaista virtaa, kuin jos se olisi vapaasti ripustettu. Hall välitti kysymyksen professori Rowlandille ja sai vastauksena viestin tutkijan aviomiehen työllistämisestä tällä hetkellä.Edwinillä oli käytettävissään ajatus, joka oli arvokas arvoitus. Yhdessä professorihallin kanssa hän kehitti kokeilumenetelmää:

Jos virta ei ylläpitää jatkuvaa liikkumispolkua lankaa pitkin magneettikentän vaikutuksesta, latausten tiheys yhdelle puolelle kasvaa. Mikä luonnollisesti lisää johtimen vastusta. Siksi on käytettävä Ohmin lakia hypoteesin testaamiseksi.

Kokeen toteuttamiseksi valittiin tasainen lankahelix( halkaisijaltaan noin puoli millimetriä) nikkelihopeaa( joka muistuttaa Tesla-kelaa), jonka kokonaisvastus oli 2 ohmia, kahden paksun kumipadun väliin. Arkki päätti sijoittaa suuren alueen kahden magneetin väliin. Niinpä kentän voimakkuuden linjat kussakin pisteessä ovat kohtisuorassa virtauksen suuntaan nähden. Sähkömagneettia käyttivät 20 Bunsen-elementtiä, jotka oli kytketty 4 peräkkäiseen ketjuun, joissa on 5 haaraa. Tuloksena oleva intensiteetti ylitti kymmeniä tuhansia kertoja maapallon magneettikentän horisontaalisen osan.

Mittaus Whitstonin siltaa käytettiin anturina, jonka diagonaali sisälsi Lord Kelvinin suunnittelun galvanometrin. Alustavien tietojen mukainen tekninen ratkaisu kirjasi kierukan resistanssin muutoksen miljoonasosassa kokonaisarvosta. Lokakuun 7.-11. Päivänä Edwin Hall teki 13 kokeilua, joista kukin koostui 40 mittauksesta:

1. -vastusmittaus magneetilla.
2. Samoin kuin magneetti on kytketty pois päältä.
3. s. 1, jossa magneettikentän linjojen polariteetti muuttuu.
4. Toistaa kohdan 2.

Mittaukset ovat osoittaneet, että magneettikenttä voi vähentää ja lisätä vastusta. Suurin lisäys oli viisitoista sataosaa, keskimääräinen arvo kokeiden perusteella osoittautui paljon pienemmäksi( viisi ppm).Tuli selväksi, että toteutetut toimet eivät riitä tekemään tiettyjä lausuntoja. On selvää, että virtaa tuskin tunnistetaan kokoonpuristumattomaksi aineeksi, kuten aiemmin uskottiin. Oli välttämätöntä ymmärtää, miksi ensimmäisten kokeiden tulokset ovat niin erilaisia ​​vastuksen muutoksen merkityksessä ja suunnassa.

Ensimmäinen Hall-anturi

Ensimmäinen Hall-anturi on suunnitellut professori Rowland. Samassa muodossa, jossa laitetta käytetään nykyään. Kun Edwinin kokeet( ja hänen oma) eivät johda tulokseen, luennoitsija ehdotti vanhaa mallia vuosien aikana tehdystä kokeesta( Hall-anturin suunnittelu on kuvattu):

1. Sähköä johtava levy( tai toisen muotoinen levy).
2. galvanometrin avulla kuvion sivuilla on kaksi tasapotentiaalipistettä.
3. Sähkömagneetti kytketään päälle, jonka kentän voimakkuuden linjat ovat levylle kohtisuorassa.
4. Tallentaa muutokset galvanometrin lukemiin.

: n oli tarkoitus havaita muutoksen merkkejä, kun nykyiset virtausolosuhteet muuttuvat. Kokeessa käytettiin Hall-anturia nykyisessä suorituskyvyssä, mutta kokemus epäonnistui. Uskotaan, että levyn liian suuri paksuus on syyllinen. Professori toi tämän Edwinin huomion ja ilmaisi näkemyksensä siitä, että tilanne on korjattavissa, jos käytämme ohutta kulta-arkkia, joka on asennettu lasipohjaan( jotta metalli ei vääristy kenttä).Täysin onnistunut 28. lokakuuta saatu kokemus pystyi kiinnittämään galvanometrin neulan vakaan taipuman magneettikentän vaikutuksesta levyllä, jossa oli virta.

Ja vaikka liike osoittautui pysyväksi, se hävisi nopeasti, tämä oli mahdotonta määrittää magneettiseen induktioon( Faradayn kokeista).Poistettiin nopeasti sähkömagneettien kentän aiheuttama virhe. Horisontissa on selvästi uhkaava löytö.On huomattava, että vaikutus kääntyi, kun magneetin napaisuus muuttui. Kvantitatiivisten riippuvuuksien määrittämiseksi laite oli hieman parantunut:

• Teholähteen voimakas kosketus oli kummallakin puolella varustettu messinkilevyillä, hyvin kiillotettu ja huolellisesti juotettu kullaksi( 9x2 cm).
• Puhdas metalli pysyi keskellä: 5,5 cm pitkä ja koko leveys. Täällä magneettikentän linjat kulkivat kultaa.
• Thomsonin korkean vastuksen galvanometrin koskettimet lähestyivät reunoja, jotka olivat tasavertaiset messinkilevyistä.

Kokeessa mitattiin solenoidien magneettikenttä, levyn läpi kulkevat virrat ja galvanometri. Tulos tallennettiin kuvassa esitetyn taulukon muodossa, joka osoittaa, että Edwin Hall onnistui saamaan ensimmäiset mallit. Se tapahtui 12. marraskuuta 1879.Huolimatta siitä, että oikeassa ilmaisussa on arvoja, jotka eroavat 8%: lla, on selvää, että numeroiden järjestys on sama. Ja me poistamme poikkeamat kokeilijoiden ja laitteiden virheistä.

Tarkat arvot eivät ole aina tärkeitä.Tänään Hall-antureita käytetään aktiivisesti magneettikentän puuttumisen tai läsnäolon indikaattoreina. Esimerkiksi pesukoneiden näppäimistöissä tai moottoreissa.

Hallin vaikutuksen soveltaminen käytännössä

sanoi jo( katso Hall-anturit), että Hall-efektin ensimmäiset teolliset sovellukset löysivät tiensä elämään 20. vuosisadan toisella puoliskolla. Tänään hieman yli puolet segmentin osuudesta on autoteollisuudessa. Tarkemmin sanottuna - edistyneet teknologiat muilta alueilta tulevat sieltä.Esimerkiksi ASIC- ja ASSP-moduulit.21. vuosisadan johtava rooli kuuluu Asahi Kasei Microsystemsille( AKM), joka toimittaa kompassit mobiililaitteille Hall-vaikutuksen perusteella. Teollisten jättiläisten joukossa on Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Hall-efektiin perustuvien magneettikenttäantureiden joukossa on 87%: n kunniaosuus.

Anturi sisältyy usein siruun. Historiallinen esi-isä on CMOS-sarja. Sen perusteella kiteeseen integroidut anturit vapautettiin kuristimen, ohjaus-, jakelu- ja kampiakselin pyörimisnopeuksien mittaamiseksi. Teknologialla on suuri merkitys venttiilimoottorien toiminnassa, jossa käämit on kytkettävä tietyllä tavalla roottorin kulma-asentoon. Kentän suuruuden mittaus sisälsi uusimmat 3D-anturit, jotka määrittävät magneettijärjestelmän kulma- ja lineaarisen sijainnin. Aiemmin todettiin, että näkyvissä olevan kohteen läsnäolo tai puuttuminen oli. Tämä on välttämätöntä onnistuneelle kilpailulle magnetoresistisen teknologian kanssa.

Nykyisin ohjelmoitavia rakenteita pidetään uusimpina, joissa eri toiminnot syötetään koodin avulla. Antureita voidaan käyttää eri tavoin. Esimerkiksi herkän alueen ja magneetin keskinäisen aseman mukaan on tiloja:

1. Frontal. Tällöin magneetti on suoraan anturia vastapäätä ja siirtyy siitä tai lähestyy suoraa linjaa. Kenttä riippuu neljänneksi etäisyydestä ja etäisyyden lähtösignaalin laki muistuttaa hyperbolia. Tätä tilaa kutsutaan unipolaariseksi, jännitystä ei voi muuttaa suuntaan.
2. Slip. Tällöin herkän tyynyn ja magneetin väliin jää rako. Tämä koordinaatti pysyy muuttumattomana. Magneetti voi liukua samalle akselille anturin kanssa. Tässä tapauksessa kenttä ei muutu, ja lähtösignaalin riippuvuus koordinaatista on lähellä Gaussin jakaumaa. Jännitteen suunta ei muutu, joten tilaa kutsutaan myös unipolaariseksi.
3. Bipolar Glide. Joskus on tarpeen selvittää, mihin suuntaan magneetti on taipunut. Eikä vain määritä etäisyys. Tässä tapauksessa magneettia käytetään hevosenkengässä.Niinpä pylväät tuottavat vasteita eri polaarisuudesta. Mikä antoi hallinnon nimen.

Näitä tiloja käytetään säännöllisesti yhdessä.Esimerkiksi, kun sinun on asetettava magneetti tarkasti antureihin nähden( toimilaitteiden avulla), laitteen herkkyys kasvaa jyrkällä ominaispiirteellä, joka riippuu lähtösignaalin riippuvuudesta koordinaateille. Käytetään kolmikaistaisia ​​magneetteja vaihtelevilla napoilla. Kaavion äärimmäiset laskeutumiset ovat lempeitä, ja keskipiikki puhutaan. Mikä on järjestelmän tarkka sijainti.

Kiristyslinjojen vahvistamiseksi, jossa on selkeästi määritelty suunta, käytetään napojen kärkiä.Nämä ovat pehmeistä ferromagneettisista metalliseoksista valmistettuja metallipaloja. Kun magneetti lähestyy, linjat alkavat pyrkiä kohti kohtaa ja muodostavat rakon, jossa ne pysyvät suorina. Jos asetat Hall-anturin sinne, järjestelmän herkkyys kasvaa merkittävästi. Samaa tarkoitusta varten käytetään bias-magneetteja, jotka pysyvät paikallaan eivätkä aiheuta itsenäistä käynnistystä.Liikkuvan osan lähestyessä magneettikentän tiheys kasvaa jyrkästi. Tämä yksinkertaistaa laukaisua ja vähentää anturin herkkyysvaatimuksia.

Lisää, että lähtösignaalianturien rakenne on analoginen ja digitaalinen. Jälkimmäisessä tapauksessa järjestelmä soveltuu helposti automatisointiin, eikä mitattu signaali enää menetä tarkkuutta, siirretään prosessointiin.