Effetto Hall

L'effetto Hall è il fenomeno del verificarsi di una differenza di potenziale ai bordi di una piastra metallica sotto l'azione di un campo magnetico quando viene attraversata da una corrente elettrica. Oggi è utilizzato in tastiere, lavatrici, automobili. Un interessante articolo sui sensori Hall.

La storia della scoperta dell'effetto

Sulla scoperta di Edwin Hall di un effetto così specifico, poco si sa. Per qualche ragione, un evento così significativo non è discusso in letteratura. La sezione sui sensori di Hall menziona che Edwin fece osservazioni chiave durante il dottorato alla Johns Hopkins University di Baltimora. L'evento si è verificato nel 1879.Questo è tutto ciò che si troverà nella letteratura sulle origini della grande scoperta.

Fonte menzionata, non così discussa. Questa è una nota datata 19 novembre, nell'American Journal of Mathematics del 1879( Vol. 2, n. 3).Edwin parla alle pagine 287-292 dell'edizione:

"Nell'ultimo anno ho studiato un sacco di Elettricità e magnetismo Maxwell, lezioni del Professor Rowland. Linee separate colpiscono i riflettori!"È necessario osservare scrupolosamente il fatto che la forza che agisce su un conduttore con corrente, posizionata attraverso le linee del campo magnetico, viene applicata direttamente al materiale. E se applicate la tensione a un disco oa un liquido, il materiale inizierà a muoversi obbedientemente fino all'influenza, e la natura del movimento potrebbe essere coerente con la forma della corrente elettrica o essere in dissonanza con esso. Una forza magnetica costante agisce sul flusso di particelle cariche. Se la corrente fosse in grado di scegliere il percorso attraverso lo spessore del materiale, dopo un po 'tornerebbe alla traiettoria precedente. L'EMF della sorgente diventa l'unica vera forza trainante. "

Il giovane scienziato mi è venuto in mente che le linee sono direttamente in conflitto con alcuni fenomeni già noti. Per la semplice ragione che la forza che agisce su un filo con una corrente dipende dalla velocità del flusso delle cariche. Al contrario, la forma e la configurazione del materiale acquisiscono un piccolo valore. A loro volta, le interazioni tra le cariche sono spiegate dalla loro magnitudine e dal loro segno, che è noto fin dai tempi di Charles Coulomb.

Dopo gli scritti di Maxwell, la nota di Edwin sull'Induzione Unipolare( Annales de Chemie et de Physique, gennaio 1879) arriva agli occhi di Edwin Hall. Il testo provava il fatto che il magnete agisce su un conduttore fisso con una corrente di forza simile, come se fosse sospeso liberamente. Hall inoltrò la domanda al Professor Rowland e ricevette in risposta un messaggio sull'occupazione di un marito erudito al momento. Edwin aveva a sua disposizione un pensiero degno di un indovinello. Insieme alla Professor Hall, ha sviluppato una metodologia per l'esperimento:

Se la corrente non mantiene un percorso costante di movimento lungo il filo sotto l'azione di un campo magnetico, la densità delle cariche su un lato aumenterà.Che naturalmente aumenta la resistenza del conduttore. Pertanto, resta da usare la legge di Ohm per verificare l'ipotesi.

Per eseguire l'esperimento è stata scelta un'elica a filo piatto( circa mezzo millimetro di diametro) in argento nickel( simile a una bobina di Tesla) con una resistenza totale di 2 ohm, inserita tra due spessi rilievi di gomma. Foglio ha deciso di mettere tra due poli di un magnete di una vasta area. In modo che le linee dell'intensità del campo in ciascun punto siano perpendicolari alla direzione del flusso di corrente. L'elettromagnete era alimentato da 20 elementi Bunsen collegati in 4 catene successive di 5 rami. L'intensità risultante ha superato decine di migliaia di volte la componente orizzontale del campo magnetico terrestre.

Un ponte di misurazione di Whitston era usato come un sensore, la cui diagonale includeva un galvanometro del design di Lord Kelvin. La soluzione tecnica secondo i dati preliminari ha registrato il cambiamento nella resistenza dell'elica in un milionesimo del valore totale. Dal 7 all'11 ottobre, Edwin Hall ha fatto 13 esperimenti, ciascuno composto da 40 misurazioni: misurazione della resistenza

1. con il magnete acceso.
2. Analogamente con il magnete spento.
3. P. 1 con una variazione della polarità delle linee del campo magnetico.
4. Ripete il paragrafo 2.

Le misurazioni hanno dimostrato che il campo magnetico può ridurre e aumentare la resistenza. L'aumento massimo è stato di millecentesimi, il valore medio sulla base degli esperimenti si è rivelato molto più piccolo( cinque ppm).È diventato chiaro che le azioni intraprese non erano sufficienti per fare alcune affermazioni.È ovvio che la corrente è difficilmente riconosciuta come sostanza incomprimibile, come si credeva prima.È stato necessario capire perché i risultati dei primi esperimenti sono così diversi nel significato e nella direzione del cambiamento nella resistenza.

Il primo sensore Hall

Il primo sensore Hall è stato progettato dal Professor Rowland. Nella stessa forma in cui il dispositivo viene utilizzato oggi. Vedendo che gli esperimenti di Edwin( e il suo) non portano al risultato, il docente ha suggerito un vecchio modello dell'esperimento fatto nel corso degli anni( il design del sensore Hall è descritto):

1. Un disco conduttivo( o una piastra di un'altra forma) è acceso nel circuito elettrico.
2. Con l'aiuto di un galvanometro, ci sono due punti equipotenziali sui lati della figura.
3. L'elettromagnete è acceso, le cui linee di campo si trovano in un piano perpendicolare al disco.
4. Registra i cambiamenti nelle letture del galvanometro.

. Doveva rilevare i segni di cambiamento quando cambiano le condizioni di flusso attuali. L'esperimento ha utilizzato il sensore Hall nella prestazione corrente, ma l'esperienza è fallita. Si ritiene che sia la colpa di troppo spessore del disco. Il professore lo ha portato all'attenzione di Edwin e ha espresso il parere che la situazione è riparabile se usiamo un sottile foglio d'oro montato su una base di vetro( per evitare che il metallo deformi il campo).L'esperienza del 28 ottobre, che ebbe pieno successo, fu in grado di fissare una deflessione stabile dell'ago del galvanometro sotto l'azione di un campo magnetico su una piastra con una corrente.

Sebbene il movimento si sia rivelato permanente, è rapidamente scomparso, era impossibile attribuirlo all'induzione magnetica( dagli esperimenti di Faraday).Rapidamente escluso l'errore introdotto dal campo dei solenoidi elettrici. All'orizzonte è chiaramente incombente scoperta.È notevole che l'effetto sia stato invertito quando la polarità del magnete è cambiata. Per stabilire le dipendenze quantitative, il dispositivo è stato leggermente migliorato:

• Forte contatto della fonte di alimentazione è stato fornito su ciascun lato con piastre di ottone, ben lucidate e accuratamente saldate all'oro( 9x2 cm).
• Un metallo puro è rimasto al centro: una regione di 5,5 cm di lunghezza e su tutta la larghezza. Qui le linee del campo magnetico passavano attraverso l'oro.
• I contatti del galvanometro ad alta resistenza Thomson si sono avvicinati ai bordi equidistanti dalle piastre di ottone. Risultati della misurazione

Durante l'esperimento, sono stati misurati il ​​campo magnetico dei solenoidi, le correnti attraverso la piastra e il galvanometro. Il risultato è stato registrato sotto forma di una tabella presentata nella figura, a dimostrazione del fatto che Edwin Hall è riuscita a ottenere i primi schemi.È successo il 12 novembre 1879.Nonostante il fatto che l'espressione sulla destra abbia valori che differiscono dell'8%, è ovvio che l'ordine dei numeri è lo stesso. E noi cancelleremo le deviazioni dagli errori degli sperimentatori e delle attrezzature.

I valori esatti non sono sempre importanti. Oggi i sensori Hall sono utilizzati attivamente come indicatori dell'assenza o della presenza di un campo magnetico. Ad esempio, in tastiere o motori di lavatrici.

Applicare l'effetto Hall nella pratica

Già detto( vedi sensori Hall) che le prime applicazioni industriali dell'effetto Hall hanno trovato la loro strada nella vita nella seconda metà del 20 ° secolo. Oggi, poco più della metà della quota di segmento è nel settore automobilistico. Più precisamente, le tecnologie avanzate in altre aree vengono da lì.Ad esempio, i moduli ASIC e ASSP.Il ruolo principale per il decimo anno del 21 ° secolo appartiene ad Asahi Kasei Microsystems( AKM), che fornisce bussole per dispositivi mobili basati sull'effetto Hall. Tra i giganti industriali notiamo Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Tra i sensori di campo magnetico basati sull'effetto Hall occupano una quota onoraria dell'87%.

Spesso il sensore è incluso nel chip. L'antenato storico è la serie CMOS.Sulla base dei sensori, i sensori integrati nel cristallo sono stati rilasciati per misurare l'angolo delle velocità di rotazione dell'acceleratore, dello sterzo, della distribuzione e dell'albero motore. La tecnologia è di grande importanza nel funzionamento dei motori delle valvole, dove gli avvolgimenti devono essere commutati in un certo modo in base alla posizione angolare del rotore. La misurazione della grandezza del campo ha coinvolto gli ultimi sensori 3D che determinano la posizione angolare e lineare del sistema di magneti. In precedenza, veniva registrato il fatto della presenza o assenza di un oggetto in vista. Questo è necessario per una concorrenza vincente con la tecnologia magnetoresistiva.

Oggi le costruzioni programmabili sono considerate l'ultima moda, in cui vengono inserite diverse funzioni tramite codice. I sensori possono essere utilizzati in vari modi. Ad esempio, in base alla posizione reciproca dell'area sensibile e del magnete, ci sono modi:

1. Frontal. In questo caso, il magnete è direttamente opposto al sensore, allontanandosi da esso o avvicinandosi in linea retta. Il campo dipende in modo quadratico dalla distanza e la legge del segnale di uscita dalla distanza assomiglia a un'iperbole. Questa modalità è definita unipolare, la tensione non può cambiare direzione. Slip
2. .In questo caso, c'è uno spazio tra il pad sensibile e il magnete. Questa coordinata rimane invariata. Un magnete può scorrere parallelamente al sensore sullo stesso asse. In questo caso, il campo non cambia e la dipendenza del segnale di uscita sulla coordinata è vicina alla distribuzione gaussiana. La direzione della tensione non cambia, quindi la modalità viene anche definita unipolare.
3. Bipolar Glide. A volte è necessario scoprire in quale direzione il magnete si è deviato. E non solo determinare la distanza. In questo caso, il magnete viene usato a ferro di cavallo. Di conseguenza, i poli producono risposte di diverse polarità.Cosa ha dato il nome del regime.

Queste modalità vengono utilizzate periodicamente in combinazione. Ad esempio, quando è necessario posizionare con precisione il magnete rispetto ai sensori( utilizzando attuatori), la sensibilità dell'apparecchiatura aumenta con una caratteristica ripida della dipendenza del segnale di uscita sulle coordinate. Vengono utilizzati magneti a tre bande con poli alternati. Le discese estreme del grafico sono delicate e il picco centrale è pronunciato. Che cosa si ottiene posizionamento accurato del sistema.

Per rinforzare le linee di tensione, dando una direzione ben definita, si usano punte dei poli. Questi sono pezzi di metallo da leghe ferromagnetiche morbide. All'avvicinarsi del magnete, le linee iniziano a sforzarsi verso il sito, formando una fessura dove rimangono dritte. Se si posiziona il sensore Hall, la sensibilità del sistema aumenta in modo significativo. Per lo stesso scopo vengono utilizzati magneti di polarizzazione, che rimangono in posizione e non causano un'attivazione indipendente. All'avvicinarsi della parte mobile, la densità del campo magnetico aumenta bruscamente. Ciò semplifica l'attivazione e riduce i requisiti di sensibilità del sensore.

Aggiungete che la struttura dei sensori del segnale di uscita è analogica e digitale. In quest'ultimo caso, il sistema si accoppia facilmente con l'automazione e il segnale misurato non perde più precisione, essendo trasferito per l'elaborazione.