Efekt Halla

Efekt Halla jest zjawiskiem występowania różnicy potencjałów na krawędziach metalowej płyty pod działaniem pola magnetycznego, kiedy przepływa przez nią prąd elektryczny. Dziś jest używany w klawiaturach, pralkach, samochodach. Ciekawy artykuł na temat czujników Halla.

Historia odkrycia efektu

O odkryciu przez Edwina Halla tak specyficznego działania niewiele wiadomo. Z jakiegoś powodu tak znaczące zdarzenie nie jest omawiane w literaturze. W części poświęconej czujnikom Hall wspomina się, że Edwin dokonał kluczowych obserwacji podczas doktoratu na Johns Hopkins University w Baltimore. Wydarzenie miało miejsce w 1879 roku. To wszystko można znaleźć w literaturze dotyczącej początków wielkiego odkrycia.

Wymienione źródło, nie tak omówione. Jest to notatka z 19 listopada, w jesiennym American Journal of Mathematics z 1879 roku( Vol. 2, nr 3).Edwin mówi na stronach 287-292 wydania:

"W ciągu ostatniego roku studiowałem dużo Maxwell Electricity i magnetyzmu, wykłady profesora Rowlanda. Oddzielne linie trafiają w centrum uwagi!"Konieczne jest skrupulatne odnotowanie faktu, że siła działająca na przewodnik z prądem, usytuowana wzdłuż linii pola magnetycznego, jest przyłożona bezpośrednio do materiału. A jeśli przyłożysz napięcie do dysku lub cieczy, materiał zacznie poruszać się posłusznie do pełnego wpływu, a charakter ruchu może być zgodny z kształtem prądu elektrycznego lub być w dysonansie. Stała siła magnetyczna działa na przepływ naładowanych cząstek. Jeśli prąd był w stanie wybrać ścieżkę przez grubość materiału, to po pewnym czasie powróciłby do poprzedniej trajektorii. EMF źródła staje się jedyną prawdziwą siłą napędową. "

Młody naukowiec przyszedł na myśl, że linie są bezpośrednio w konflikcie z niektórymi już znanymi zjawiskami. Z tego prostego powodu, że siła działająca na przewód z prądem zależy od szybkości przepływu ładunków. Natomiast kształt i konfiguracja materiału zyskują niewielką wartość.Interakcje między ładunkami są z kolei tłumaczone ich wielkością i znakiem, znanym od czasów Charlesa Coulomb'a.

Po pismach Maxwella, w oczach Edwina Halla pojawia się napis Edwina na temat indukcji jednobiegunowej( Annales de Chemie et de Physique, styczeń 1879).Tekst udowodnił, że magnes działa na nieruchomy przewodnik z prądem o podobnej sile, jakby był swobodnie zawieszony. Hall przekazał pytanie profesorowi Rowlandowi i otrzymał w odpowiedzi komunikat o zatrudnieniu uczonego męża w tej chwili. Edwin miał do swojej dyspozycji myśl godną zagadki. Wraz z profesorem Hallem opracował metodologię eksperymentu:

Jeśli prąd nie utrzyma stałej ścieżki ruchu wzdłuż drutu pod działaniem pola magnetycznego, gęstość ładunków z jednej strony stanie się większa. Co oczywiście zwiększa odporność przewodnika. Dlatego też, aby sprawdzić hipotezę, należy zastosować prawo Ohma.

W celu przeprowadzenia eksperymentu wybrano płaską spiralę drutu( o średnicy około pół milimetra) ze srebra niklowego( przypominającą cewkę Tesli) o łącznej rezystancji 2 Ω umieszczonej pomiędzy dwoma grubymi wkładkami gumowymi. Arkusz postanowił umieścić między dwoma biegunami magnesu o rozległym obszarze. Aby linie natężenia pola w każdym punkcie były prostopadłe do kierunku przepływu prądu. Elektromagnes napędzany był przez 20 elementów Bunsena połączonych w 4 kolejne łańcuchy po 5 odgałęzień.Uzyskana intensywność przekroczyła dziesiątki tysięcy razy poziomą składową ziemskiego pola magnetycznego.

Jako czujnik wykorzystano pomiarowy most Whitstona, którego przekątna zawiera galwanometr projektu Lorda Kelvina. Rozwiązanie techniczne według wstępnych danych zarejestrowało zmianę oporu spirali na milionową część całkowitej wartości. Od 7 do 11 października Edwin Hall przeprowadził 13 eksperymentów, z których każdy składał się z 40 pomiarów: Pomiar oporności

1. z włączonym magnesem.
2. Podobnie z magnesem wyłączonym.
3. P. 1 ze zmianą polaryzacji linii pola magnetycznego.
4. Powtarza akapit 2.

Pomiary wykazały, że pole magnetyczne może zmniejszyć i zwiększyć opór. Maksymalny wzrost wynosił piętnaście setnych, średnia wartość na podstawie eksperymentów okazała się znacznie mniejsza( pięć ppm).Stało się jasne, że podjęte działania były niewystarczające do wydania pewnych oświadczeń.Jest oczywiste, że prąd nie jest uznawany za substancję nieściśliwą, jak wcześniej sądzono. Trzeba było zrozumieć, dlaczego wyniki pierwszych eksperymentów są tak różne pod względem znaczenia i kierunku zmiany oporu.

Pierwszy czujnik Halla

Pierwszy czujnik Halla zaprojektował profesor Rowland. W tej samej formie, w której urządzenie jest używane dzisiaj. Widząc, że eksperymenty Edwina( i jego własne) nie prowadzą do rezultatu, wykładowca zasugerował stary model eksperymentu przeprowadzonego przez lata( opis czujnika Halla):

1. W obwodzie elektrycznym włączany jest dysk przewodzący( lub płyta o innym kształcie).
2. Przy pomocy galwanometru dwa punkty ekwipotencjalne znajdują się po bokach figury.
3. Włącza się elektromagnes, którego linie natężenia pola leżą w płaszczyźnie prostopadłej do dysku.
4. Rejestruje zmiany w odczytach galwanometru.

, który miał wykrywać oznaki zmian, gdy zmieniają się warunki przepływu prądu. W eksperymencie wykorzystano czujnik Halla w bieżącej wydajności, ale doświadczenie nie powiodło się.Uważa się, że za zbyt dużą grubość dysku jest obwiniać.Profesor zwrócił na to uwagę Edwina i wyraził opinię, że sytuacja jest do naprawienia, jeśli użyjemy cienkiego, złotego arkusza zamontowanego na szklanej podstawie( aby zapobiec deformacji pola przez metal).Doświadczenie z 28 października, które zakończyło się pełnym sukcesem, było w stanie ustalić stabilne ugięcie igły galwanometru pod działaniem pola magnetycznego na płycie z prądem.

I choć ruch okazał się trwały, szybko zniknął, nie można było przypisać tego do indukcji magnetycznej( z eksperymentów Faradaya).Szybko wykluczyć błąd wprowadzony przez pole elektromagnesów elektrycznych. Na horyzoncie widać wyraźnie zbliżające się odkrycie. Godne uwagi jest to, że efekt został odwrócony wraz ze zmianą polaryzacji magnesu. Aby ustalić zależność ilościową, urządzenie uległo niewielkiej poprawie:

• Silny kontakt źródła zasilania zapewniono z każdej strony mosiężnymi płytkami, dobrze wypolerowanymi i ostrożnie przylutowanymi do złota( 9x2 cm).
• W środku pozostawał czysty metal: obszar o długości 5,5 cm i na całej szerokości. Tutaj linie pola magnetycznego przechodziły przez złoto.
• Styki galwanometru o wysokiej rezystancji Thomsona zbliżyły się do krawędzi równoodległych od blaszek mosiężnych.

Podczas eksperymentu mierzono pole magnetyczne solenoidów, prądy przechodzące przez płytkę i galwanometr. Wynik zarejestrowano w formie tabeli przedstawionej na rysunku, pokazując, że Edwin Hall zdołał uzyskać pierwsze wzory. Stało się to 12 listopada 1879 roku. Pomimo faktu, że wyrażenie po prawej ma wartości, które różnią się o 8%, jest oczywiste, że kolejność liczb jest taka sama. A my odpiszemy odchylenia od błędów eksperymentatorów i sprzętu.

Dokładne wartości nie zawsze są ważne. Obecnie czujniki Halla są aktywnie wykorzystywane jako wskaźniki braku lub obecności pola magnetycznego. Na przykład w klawiaturach lub silnikach pralek.

Zastosowanie efektu Halla w praktyce

Już wspomniano( patrz: Czujniki Halla), że pierwsze zastosowania przemysłowe efektu Halla pojawiły się w drugiej połowie XX wieku. Obecnie nieco ponad połowa udziałów w segmencie przypada na przemysł motoryzacyjny. A dokładniej - stąd pochodzą zaawansowane technologie w innych obszarach. Na przykład moduły ASIC i ASSP.Wiodącą rolę w dziesiątym roku XXI wieku zajmuje Asahi Kasei Microsystems( AKM), która dostarcza kompasy do urządzeń mobilnych w oparciu o efekt Halla. Wśród industrialnych gigantów zauważamy Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Wśród czujników pola magnetycznego opartych na efekcie Halla udział honorowy wynosi 87%.

Często czujnik jest zawarty w układzie scalonym. Historycznym przodkiem jest seria CMOS.Na jego podstawie, czujniki zintegrowane z kryształem zostały zwolnione w celu pomiaru kąta prędkości obrotowej przepustnicy, sterowania, dystrybucji i prędkości obrotowej wału korbowego. Technologia ma ogromne znaczenie w działaniu silników zaworowych, gdzie uzwojenia muszą być przełączane w określony sposób w zależności od położenia kątowego wirnika. Pomiar wielkości pola obejmował najnowsze czujniki 3D, które określają kątowe i liniowe położenie systemu magnesów. Wcześniej był to po prostu fakt obecności lub braku obiektu w zasięgu wzroku. Jest to konieczne do udanej rywalizacji z technologią magnetorezystywną.

Dzisiejsze programowalne konstrukcje są uważane za najnowszą modę, w której różne funkcje wprowadzane są za pomocą kodu. Czujniki mogą być używane na różne sposoby. Na przykład, zgodnie z wzajemnym położeniem wrażliwego obszaru i magnesu, istnieją tryby:

1. Frontal. W tym przypadku magnes znajduje się dokładnie naprzeciwko czujnika, oddalając się od niego lub zbliżając się w linii prostej. Pole zależy kwadraturowo od odległości, a prawo sygnału wyjściowego z odległości przypomina hiperbolę.Ten tryb nazywa się unipolarny, naprężenie nie może zmienić kierunku.
2. Slip. W tym przypadku występuje szczelina między czułą podkładką a magnesem. Współrzędna ta pozostaje niezmieniona. Magnes może przesuwać się równolegle do czujnika na tej samej osi. W tym przypadku pole się nie zmienia, a zależność sygnału wyjściowego od współrzędnych jest zbliżona do rozkładu Gaussa. Kierunek naprężenia się nie zmienia, dlatego też tryb nazywa się również unipolarnym.
3. Bipolar Glide. Czasami trzeba się dowiedzieć, w którym kierunku magnes się odchylił.I nie tylko określa odległość.W tym przypadku magnes jest używany podkowę.Odpowiednio, bieguny dają odpowiedzi o różnych polaryzacjach. Co nadało nazwę reżimowi.

Tryby te są używane okresowo w połączeniu. Na przykład, kiedy trzeba dokładnie ustawić magnes względem czujników( za pomocą siłowników), czułość urządzenia wzrasta wraz ze stromą charakterystyką zależności sygnału wyjściowego od współrzędnych. Stosuje się trzypasmowe magnesy z naprzemiennymi biegunami. Ekstremalne zejścia wykresu są delikatne, a centralny szczyt jest wyraźny. Co osiąga się w dokładnym pozycjonowaniu systemu.

Aby wzmocnić linie napięcia, dając wyraźnie określony kierunek, stosuje się końcówki słupów. Są to kawałki metalu z miękkich stopów ferromagnetycznych. Gdy magnes zbliża się, linie zaczynają dążyć do miejsca, tworząc lukę, w której pozostają proste. Jeśli umieścisz tam czujnik Halla, czułość systemu znacząco wzrośnie. W tym samym celu stosuje się magnesy odchylające, które pozostają na swoim miejscu i nie powodują niezależnego uruchamiania. Gdy zbliża się ruchoma część, gęstość pola magnetycznego gwałtownie wzrasta. Upraszcza to wyzwalanie i zmniejsza wymagania dotyczące czułości czujnika.

Dodaj, że struktura sygnałów wyjściowych jest analogowa i cyfrowa. W tym ostatnim przypadku system łatwo łączy się z automatyzacją, a zmierzony sygnał nie traci już dokładności i jest przekazywany do przetwarzania.