Effet hall

L'effet Hall est le phénomène de l'apparition d'une différence de potentiel sur les bords d'une plaque métallique sous l'action d'un champ magnétique lorsqu'un courant électrique la traverse. Aujourd'hui, il est utilisé dans les claviers, les machines à laver, les voitures. Un article intéressant sur les capteurs de Hall.

L'histoire de la découverte de l'effet

On ne sait pas grand chose de la découverte par Edwin Hall d'un effet aussi spécifique. Pour une raison quelconque, un événement aussi important n’est pas traité dans la littérature. La section sur les capteurs de Hall indique qu'Edwin a formulé des observations clés au cours de son doctorat à l'Université Johns Hopkins à Baltimore. L'événement s'est produit en 1879.C'est tout ce que l'on trouvera dans la littérature concernant les origines de la grande découverte.

Mentionné source, non discuté.C'est une note datée du 19 novembre, publiée à l'automne par le American Journal of Mathematics of 1879( vol. 2, n ° 3).Edwin parle aux pages 287 à 292 de l'édition:

«Depuis un an, j'étudie beaucoup Maxwell Electricity et le magnétisme, conférences du professeur Rowland. Des lignes séparées sont à l'honneur!«Il est nécessaire de noter scrupuleusement le fait que la force agissant sur un conducteur sous tension, située de part et d'autre des lignes de champ magnétique, est appliquée directement sur le matériau. Et si vous appliquez de la tension à un disque ou à un liquide, le matériau commencera à se déplacer complètement de manière obéissante à l'influence, et la nature du mouvement peut être compatible avec la forme du courant électrique ou être en dissonance avec celui-ci. Une force magnétique constante agit sur le flux de particules chargées. Si le courant était capable de choisir le chemin à travers l'épaisseur du matériau, il reviendrait après un certain temps à la trajectoire précédente. Les champs électromagnétiques de la source deviennent la seule force motrice réelle. »

Le jeune scientifique a pensé que les lignes entraient directement en conflit avec des phénomènes déjà connus. Pour la simple raison que la force agissant sur un fil avec un courant dépend du débit des charges. En revanche, la forme et la configuration du matériau acquièrent une petite valeur. A leur tour, les interactions entre les charges sont expliquées par leur ampleur et leur signe, connus depuis l'époque de Charles Coulomb.

Après les écrits de Maxwell, la note d’Edwin sur l’induction unipolaire( Annales de Chemie et de Physique, janvier 1879) tombe aux yeux d’Edwin Hall. Le texte prouve que l'aimant agit sur un conducteur fixe avec un courant de force similaire, comme s'il était librement suspendu. Hall a transmis la question à la professeure Rowland et a reçu en réponse un message sur l'emploi d'un mari érudit pour le moment. Edwin avait à sa disposition une pensée digne d'une énigme. En collaboration avec le professeur Hall, il a développé une méthodologie pour l'expérience:

Si le courant ne maintient pas une trajectoire de mouvement constante le long du fil sous l'action d'un champ magnétique, la densité de charges sur un côté augmentera. Ce qui augmente naturellement la résistance du conducteur. Il reste donc à utiliser la loi d’Ohm pour tester l’hypothèse.

Une hélice à fil plat( d'environ un demi millimètre de diamètre) en maillechort( ressemblant à un bobinage de Tesla) d'une résistance totale de 2 ohms, prise en sandwich entre deux tampons en caoutchouc épais, a été choisie pour réaliser l'expérience. Sheet a décidé de placer entre deux pôles d'un aimant d'une vaste zone. Ainsi, les lignes de l'intensité du champ en chaque point sont perpendiculaires à la direction du courant. L'électroaimant était alimenté par 20 éléments Bunsen connectés en 4 chaînes successives de 5 branches. L’intensité résultante dépassait des dizaines de milliers de fois la composante horizontale du champ magnétique terrestre.

Un capteur de mesure de Whitston a été utilisé comme capteur, dont la diagonale incluait un galvanomètre du modèle de Lord Kelvin. La solution technique selon les données préliminaires a enregistré le changement de la résistance de l'hélice dans un millionième de la valeur totale. Du 7 au 11 octobre, Edwin Hall a effectué 13 expériences, chacune comprenant 40 mesures: Mesure de résistance

1. avec l'aimant activé.
2. De même avec l'aimant désactivé.
3. P. 1 avec une modification de la polarité des lignes du champ magnétique.
4. Répète le paragraphe 2.

Les mesures ont montré que le champ magnétique peut réduire et augmenter la résistance. L'augmentation maximale était de quinze centièmes, la valeur moyenne sur la base des expériences s'avérant beaucoup plus petite( cinq ppm).Il est devenu évident que les mesures prises ne suffisaient pas pour faire certaines déclarations. Il est évident que le courant est à peine reconnu comme substance incompressible, comme on le croyait auparavant. Il était nécessaire de comprendre pourquoi les résultats des premières expériences sont si différents en sens et en direction du changement de résistance.

Le premier capteur à effet Hall

Le premier capteur à effet Hall a été conçu par le professeur Rowland. Dans la même forme dans laquelle le dispositif est utilisé aujourd'hui. Voyant que les expériences d'Edwin( et les siennes) n'aboutissaient pas au résultat, le conférencier suggéra un ancien modèle d'expériences effectuées au fil des années( la conception du capteur de Hall est décrite):

1. Un circuit conducteur( ou une plaque d'une autre forme) est activé dans le circuit électrique.
2. À l'aide d'un galvanomètre, deux points équipotentiels sont situés sur les côtés de la figure.
3. L'électro-aimant est activé, ses lignes d'intensité de champ se situant dans un plan perpendiculaire au disque.
4. Enregistre les changements dans les lectures du galvanomètre.

: il était supposé détecter les signes de changement lorsque les conditions de débit actuelles changent. L'expérience a utilisé le capteur de Hall dans la performance actuelle, mais l'expérience a échoué.On pense que trop d'épaisseur du disque est à blâmer. Le professeur a porté cela à l'attention d'Edwin et a exprimé l'opinion que la situation était réparable si nous utilisions une mince feuille d'or montée sur une base en verre( pour empêcher le métal de déformer le champ).L’expérience du 28 octobre, qui a été couronnée de succès, a permis de fixer une déviation stable de l’aiguille du galvanomètre sous l’action d’un champ magnétique sur une plaque sous tension.

Et bien que le mouvement se soit avéré permanent, il a rapidement disparu, mais il était impossible de l'attribuer à l'induction magnétique( d'après les expériences de Faraday).Rapidement exclu l'erreur introduite par le domaine des solénoïdes électriques.À l'horizon se profile clairement une découverte. Il est remarquable que l'effet s'inverse lorsque la polarité de l'aimant change. Pour établir les dépendances quantitatives, l'appareil a été légèrement amélioré:

• Un contact étroit de la source d'alimentation a été fourni avec des plaques de laiton bien polies et soigneusement soudées à l'or( 9x2 cm).
• Il restait au centre un métal pur: une zone de 5,5 cm de long sur toute la largeur. Ici, les lignes de champ magnétique sont passées à travers l’or.
• Les contacts du galvanomètre haute résistance Thomson se sont approchés des bords à égale distance des plaques de laiton.

Au cours de l'expérience, le champ magnétique des solénoïdes, les courants traversant la plaque et le galvanomètre ont été mesurés. Le résultat a été enregistré sous la forme d'un tableau présenté dans la figure, montrant qu'Edwin Hall a réussi à obtenir les premiers motifs. C'est arrivé le 12 novembre 1879.Bien que l'expression à droite ait des valeurs différentes de 8%, il est évident que l'ordre des nombres est le même. Et nous effacerons les écarts sur les erreurs des expérimentateurs et des équipements.

Les valeurs exactes ne sont pas toujours importantes. Aujourd'hui, les capteurs à effet Hall sont utilisés activement comme indicateurs de l'absence ou de la présence d'un champ magnétique. Par exemple, dans les claviers ou les moteurs de machines à laver.

Application pratique de l'effet Hall

Nous avons déjà dit( voir Capteurs de Hall) que les premières applications industrielles de l'effet Hall ont pris forme dans la seconde moitié du 20e siècle. Aujourd'hui, un peu plus de la moitié de la part du segment est dans l'industrie automobile. Plus précisément, les technologies avancées dans d’autres domaines viennent de là.Par exemple, les modules ASIC et ASSP.Le rôle principal pour la dixième année du 21e siècle appartient à Asahi Kasei Microsystems( AKM), qui fournit des boussoles pour appareils mobiles basés sur l'effet Hall. Parmi les géants industriels, on note Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Parmi les capteurs de champ magnétique basés sur l'effet Hall occupent une part honoraire de 87%.

Souvent, le capteur est inclus dans la puce. L'ancêtre historique est la série CMOS.Sur sa base, des capteurs intégrés au cristal ont été libérés pour mesurer l'angle des vitesses du papillon des gaz, de la direction, de la distribution et du vilebrequin. La technologie revêt une grande importance pour le fonctionnement des moteurs à soupapes, où les enroulements doivent être commutés d’une certaine manière en fonction de la position angulaire du rotor. La mesure de la magnitude du champ a impliqué les derniers capteurs 3D permettant de déterminer la position angulaire et linéaire du système d'aimants. Auparavant, il s'agissait simplement du fait de la présence ou de l'absence d'un objet en vue. Cela est nécessaire pour une concurrence réussie avec la technologie magnétorésistive.

Aujourd'hui, les constructions programmables sont considérées comme la dernière mode, où différentes fonctions sont entrées au moyen d'un code. Les capteurs peuvent être utilisés de différentes manières. Par exemple, selon la position mutuelle de la zone sensible et de l'aimant, il existe des modes:

1. Frontal. Dans ce cas, l'aimant est directement en face du capteur, s'en éloignant ou s'approchant en ligne droite. Le champ dépend quadratiquement de la distance et la loi du signal de sortie de la distance ressemble à une hyperbole. Ce mode est appelé unipolaire, la tension ne peut pas changer de direction.
2. Slip. Dans ce cas, il y a un espace entre le plot sensible et l'aimant. Cette coordonnée reste inchangée. Un aimant peut glisser parallèlement au capteur sur le même axe. Dans ce cas, le champ ne change pas et la dépendance du signal de sortie sur la coordonnée est proche de la distribution gaussienne. La direction de la tension ne change pas, par conséquent, le mode est également appelé unipolaire.
3. Glissement bipolaire. Parfois, il est nécessaire de savoir dans quelle direction l'aimant a dévié.Et non seulement déterminer la distance. Dans ce cas, l'aimant est utilisé en fer à cheval. En conséquence, les pôles produisent des réponses de différentes polarités. Ce qui a donné le nom du régime.

Ces modes sont utilisés périodiquement en combinaison. Par exemple, lorsque vous devez positionner avec précision l'aimant par rapport aux capteurs( à l'aide d'actionneurs), la sensibilité de l'équipement augmente avec une caractéristique abrupte de la dépendance du signal de sortie sur les coordonnées. Des aimants à trois bandes à pôles alternés sont utilisés. Les descentes extrêmes du graphique sont douces et le pic central est prononcé.Ce qui est réalisé positionnement précis du système.

Pour renforcer les lignes de tension, en donnant une direction clairement définie, des pointes sont utilisées. Ce sont des morceaux de métal d'alliages ferromagnétiques mous.À l'approche de l'aimant, les lignes commencent à se rapprocher du site, formant un espace où elles restent droites. Si vous placez le capteur de Hall à cet endroit, la sensibilité du système augmente considérablement. Dans le même but, des aimants de polarisation sont utilisés, qui restent en place et ne provoquent pas d'actionnement indépendant. Au fur et à mesure que la pièce mobile approche, la densité du champ magnétique augmente fortement. Cela simplifie le déclenchement et réduit les exigences de sensibilité du capteur.

Ajoutez que la structure des capteurs de signal de sortie est analogique et numérique. Dans ce dernier cas, le système s'adapte facilement à l'automatisation et le signal mesuré ne perd plus de précision, car il est transféré pour traitement.