Hall efekts

Hall efekts ir fenomens, ka metāla plāksnes malās rodas iespējamā atšķirība magnētiskā lauka iedarbībā, kad caur to tiek veikta elektriskā strāva.Šodien to izmanto tastatūrās, veļas mašīnās, automašīnās. Interesants raksts par Hall sensoriem.

efekta atklāšanas vēsture Pēc tam, kad Edwin Hall atklāja šādu specifisku efektu, maz ir zināms. Kādu iemeslu dēļ šāds nozīmīgs notikums literatūrā nav apspriests. Sadaļā par Hall sensoriem minēts, ka Edvins ir devis galvenos novērojumus doktora grāda iegūšanai Johns Hopkinsa universitātē Baltimorē.Pasākums notika 1879. gadā.Tas viss ir atrodams literatūrā par lielā atklājuma izcelsmi.

Minētais avots, kas nav tik apspriests.Šī ir 19. novembra vēstule amerikāņu žurnāla Mathematics 1879. gada rudenī( 2. sējums, Nr. 3).Edvins runā par izdevuma

287.-29. Lpp. “Pēdējo gadu laikā esmu mācījies daudz Maxwell Electricity un magnetism, profesora Rowland lekcijas. Atsevišķas līnijas skāra uzmanību!„Ir nepieciešams precīzi atzīmēt, ka spēks, kas iedarbojas uz vadu ar strāvu, kas atrodas pāri magnētiskā lauka līnijām, tiek uzklāts tieši uz materiālu. Un, ja jūs pielietojat spriegumu diskam vai šķidrumam, materiāls sāk kustēties paklausīgi līdz pilnīgai ietekmei, un kustības raksturs var saskanēt ar elektriskās strāvas formu vai būt disonansē.Pastāvīgs magnētiskais spēks iedarbojas uz uzlādēto daļiņu plūsmu. Ja strāva varēja izvēlēties ceļu caur materiāla biezumu, tad pēc kāda laika tas atgriezīsies iepriekšējā trajektorijā.Avota EMF kļūst par vienīgo reālo dzinējspēku. ”

Jaunais zinātnieks atcerējās, ka šīs līnijas ir tieši pretrunā ar dažām jau zināmām parādībām. Vienkāršā iemesla dēļ, ka spēks, kas iedarbojas uz vadu ar strāvu, ir atkarīgs no uzlādes ātruma. Savukārt materiāla forma un konfigurācija iegūst nelielu vērtību. Savukārt mijiedarbība starp nodevām ir izskaidrojama ar to lielumu un zīmi, kas ir pazīstama kopš Čārlza Coulomba dienām.

Pēc Maxvela rakstiem Edvina piezīme par Unipolar Induction( Annales de Chemie et de Physique, 1879. gada janvāris) nonāk Edwin Hall acīs. Teksts pierādīja faktu, ka magnēts iedarbojas uz fiksētu vadu ar līdzīga spēka strāvu, it kā tas būtu brīvi apturēts. Hall nosūtīja jautājumu profesoram Rowlandam un saņēma atbildi uz vēstījumu par zinātnieka vīra nodarbinātību. Edvins bija domājis par mīklu. Kopā ar profesora zāli viņš izstrādāja eksperimenta metodoloģiju:

Ja strāva nemainās nemainīgā virzienā pa vadu magnētiskā lauka iedarbībā, lādiņu blīvums vienā pusē kļūs augstāks. Kas dabiski palielina vadītāja pretestību. Tāpēc, lai pārbaudītu hipotēzi, ir jālieto Ohm likums.

Eksperimenta īstenošanai tika izvēlēta plakana stieples spirāle( aptuveni pusmilimetrs diametrā) no niķeļa sudraba( kas atgādina Tesla spoli) ar kopējo pretestību 2 ohm, kas ir starp diviem bieziem gumijas spilventiņiem. Lapa nolēma novietot starp diviem plašā lauka magnēta poliem. Tā, ka lauka stipruma līnijas katrā punktā ir perpendikulāri strāvas plūsmas virzienam. Elektromagnētam darbojās 20 Bunsen elementi, kas savienoti 4 secīgās ķēdēs ar 5 zariem. Iegūtais intensitāte pārsniedza desmitiem tūkstošu reižu Zemes magnētiskā lauka horizontālo komponentu.

Mērīšanas Whitston tilts tika izmantots kā sensors, kura diagonāle ietvēra Lord Kelvina dizaina galvanometru. Tehniskais risinājums saskaņā ar provizoriskiem datiem fiksēja spirāles pretestības izmaiņas miljonā daļā no kopējās vērtības. No 7. līdz 11. oktobrim Edvins Zālē bija 13 eksperimenti, no kuriem katrs bija 40 mērījumi:

1. pretestības mērīšana ar magnētu.
2. Līdzīgi kā izslēgts magnēts.
3. 1. lpp., Mainot magnētiskā lauka līniju polaritāti.
4. atkārto 2. punktu.

Mērījumi ir parādījuši, ka magnētiskais lauks var samazināt un palielināt pretestību. Maksimālais pieaugums bija piecpadsmit simtdaļas, vidējā vērtība, pamatojoties uz eksperimentiem, izrādījās daudz mazāka( piecas ppm).Bija skaidrs, ka veiktie pasākumi nebija pietiekami, lai izdarītu zināmus paziņojumus. Ir acīmredzams, ka strāva ir tikko pazīstama kā nesasmalcināta viela, kā tas ticēja iepriekš.Bija nepieciešams saprast, kāpēc pirmo eksperimentu rezultāti ir tik atšķirīgi pretestības izmaiņu nozīmē un virzienā.

Pirmais Hall sensors

Pirmais Hall sensors tika izstrādāts ar profesoru Rowland. Tādā pašā veidā, kādā ierīce tiek izmantota šodien. Redzot, ka Edvina eksperimenti( un viņa paši) nenoved pie rezultāta, pasniedzējs ieteica vecu gadu eksperimenta modeli( aprakstīts Hall sensora dizains):

1. Vadības disku( vai citas formas plāksni) elektriskajā ķēdē ieslēdz.
2. Izmantojot galvanometru, attēla sānos atrodas divi ekvipotenciālie punkti.
3. Elektromagnēts ir ieslēgts, kura lauka stipruma līnijas atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra diskam.
4. Ieraksta izmaiņas galvanometra rādījumos.

bija paredzēts noteikt izmaiņas, kad mainās pašreizējie plūsmas apstākļi. Eksperiments izmantoja Hall sensoru pašreizējā veiktspējā, bet pieredze neizdevās. Tiek uzskatīts, ka ir vainojams pārāk liels diska biezums. Profesors to pievērsās Edvina uzmanībai un pauda viedokli, ka situācija ir labojama, ja izmantojam plānu zelta loksni, kas uzstādīta uz stikla pamatnes( lai novērstu metāla deformēšanos laukā).28. oktobra pieredze, kas bija pilnīgi veiksmīga, varēja noteikt stabilu galvanometra adatas novirzi magnētiskā lauka iedarbībā uz plāksnes ar strāvu.

Un, lai gan kustība izrādījās pastāvīga, tā ātri pazuda, to nebija iespējams attiecināt uz magnētisko indukciju( no Faraday eksperimentiem).Ātri tika izslēgta kļūda, ko radīja elektrisko solenoīdu laukums. Uz horizonta ir acīmredzams atklājums. Ievērojams ir tas, ka efekts ir apgriezts, kad mainījās magnēta polaritāte. Lai noteiktu kvantitatīvās atkarības, ierīce ir nedaudz uzlabojusies:

• Katrā pusē tika nodrošināta spēcīga barošanas avota saskare ar misiņa plāksnēm, labi pulēta un rūpīgi lodēta uz zeltu( 9x2 cm).
• Tīrais metāls palicis centrā: garums 5,5 cm un visā platumā.Šeit magnētiskā lauka līnijas iet caur zeltu.
• Thomson augstas pretestības galvanometra kontakti tuvojās malām, kas bija vienādas ar misiņa plāksnēm.

Eksperimenta laikā tika mērīts solenoidu magnētiskais lauks, plūsmas caur plāksni un galvanometrs. Rezultāts tika ierakstīts tabulā, kas attēlota attēlā, parādot, ka Edwin Hall izdevās iegūt pirmos modeļus. Tas notika 1879. gada 12. novembrī.Neskatoties uz to, ka labajā izteiksmē ir vērtības, kas atšķiras par 8%, ir acīmredzams, ka numuru secība ir vienāda. Un mēs norakstīsim novirzes no eksperimentu un iekārtu kļūdām.

Precīzas vērtības ne vienmēr ir svarīgas.Šodien Hall sensori tiek aktīvi izmantoti kā magnētiskā lauka trūkuma vai klātbūtnes rādītāji. Piemēram, veļas mašīnu tastatūrās vai dzinējos.

, pielietojot zāles efektu praksē

Jau teica( sk. Hall sensori), ka pirmie Hall efekta industriālie lietojumi nonāca dzīvē 20. gadsimta otrajā pusē.Šodien nedaudz vairāk nekā puse no segmenta daļas ir automobiļu rūpniecībā.Precīzāk - no turienes nāk progresīvas tehnoloģijas citās jomās. Piemēram, ASIC un ASSP moduļi.21. gadsimta desmito gadu vadošā loma pieder Asahi Kasei Microsystems( AKM), kas piegādā kompasus mobilajām ierīcēm, pamatojoties uz Hall efektu. Starp industriālajiem milžiem atzīmējam Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Viens no magnētiskā lauka sensoriem, kas balstās uz Hall efektu, ieņem 87% goda daļu.

Bieži sensors ir iekļauts mikroshēmā.Vēsturiskais senčs ir CMOS sērija. Pamatojoties uz to, kristālos iebūvētie sensori tika atbrīvoti, lai izmērītu droseles, stūres, sadales un kloķvārpstas griešanās ātrumu. Tehnoloģijai ir liela nozīme vārstu dzinēju darbībā, kur tinumi ir jāpārslēdz, ievērojot rotora leņķi. Lauka lieluma mērīšana ietvēra jaunākos 3D sensorus, kas nosaka magnētiskās sistēmas leņķisko un lineāro stāvokli. Agrāk tika reģistrēts fakts par objekta esamību vai neesamību. Tas ir nepieciešams veiksmīgai konkurencei ar magnetoresistīvo tehnoloģiju.

Šodien programmējamās konstrukcijas tiek uzskatītas par jaunāko modeli, kurā ar koda palīdzību tiek ievadītas dažādas funkcijas. Sensori var tikt izmantoti dažādos veidos. Piemēram, atkarībā no jutīgās zonas un magnēta savstarpējā stāvokļa ir režīmi:

1. Frontāls.Šajā gadījumā magnēts ir tieši pretī sensoram, virzoties prom no tā vai tuvojoties taisnai līnijai. Lauks ir kvadrātiski atkarīgs no attāluma, un izejas signāla likums no attāluma atgādina hiperbolu.Šo režīmu sauc par unipolāru, spriegums nevar mainīt virzienu.
2. Slip.Šajā gadījumā starp jutīgo spilventiņu un magnētu ir plaisa.Šī koordināta paliek nemainīga. Magnēts var slīdēt paralēli sensoram uz vienas ass.Šajā gadījumā lauks nemainās un izejas signāla atkarība no koordinātas ir tuvu Gausa sadalījumam. Sprieguma virziens nemainās, tāpēc režīmu sauc arī par unipolu.
3. Bipolar Glide. Dažreiz ir nepieciešams noskaidrot, kādā virzienā magnēts ir novirzījies. Un ne tikai nosaka attālumu.Šajā gadījumā magnēts tiek izmantots pakavs. Līdz ar to stabi rada dažādas polaritātes reakcijas. Kas deva režīma nosaukumu.

Šie režīmi tiek periodiski izmantoti kombinācijā.Piemēram, ja jums ir nepieciešams precīzi novietot magnētu attiecībā pret sensoriem( izmantojot izpildmehānismus), iekārtas jutīgums palielinās ar izejas signāla atkarības strauju raksturojumu uz koordinātām. Tiek izmantoti trīs joslu magnēti ar maināmiem stabiem. Grafa galējie descenti ir maigi, un centrālais pīķis tiek izrunāts. Kāda ir precīza sistēmas pozicionēšana.

Lai nostiprinātu sprieguma līnijas, dodot skaidri definētu virzienu, tiek izmantoti polu uzgaļi. Tie ir metāla gabali no mīkstajiem feromagnētiskajiem sakausējumiem. Kad magnēts tuvojas, līnijas sāk virzīties uz vietu, veidojot plaisu, kur tās paliek taisnas. Ja novietojat Hall sensoru, sistēmas jutīgums ievērojami palielinās.Šim nolūkam tiek izmantoti slīpo magnēti, kas paliek savā vietā un nerada neatkarīgu iedarbināšanu. Kad kustīgā daļa tuvojas, magnētiskā lauka blīvums strauji palielinās. Tas vienkāršo iedarbināšanu un mazina sensora jutīguma prasības.

Pievienojiet, ka izejas signāla sensoru struktūra ir analoga un digitāla. Pēdējā gadījumā sistēma viegli savienojas ar automatizāciju, un izmērītais signāls vairs zaudē precizitāti un tiek nodots apstrādei.