Efeito Hall

O efeito Hall é o fenômeno da ocorrência de uma diferença de potencial nas bordas de uma placa de metal sob a ação de um campo magnético quando uma corrente elétrica é passada através dele. Hoje é usado em teclados, máquinas de lavar roupa, carros. Um artigo interessante sobre os sensores do Hall.

A História da Descoberta do Efeito

Na descoberta por Edwin Hall de um efeito tão específico, pouco se sabe. Por alguma razão, um evento tão significativo não é discutido na literatura. A seção sobre sensores Hall menciona que Edwin fez observações importantes durante o doutorado na Universidade Johns Hopkins, em Baltimore. O evento ocorreu em 1879.Isso é tudo o que será encontrado na literatura sobre as origens da grande descoberta.

Fonte mencionada, não tão discutida. Esta é uma nota datada de 19 de novembro, no outono American Journal of Mathematics de 1879( Vol. 2, n º 3).Edwin fala nas páginas 287-292 da edição:

“Durante o ano passado estive estudando muito Maxwell Electricity e magnetismo, palestras do Professor Rowland. Linhas separadas atingem o centro das atenções!“É necessário observar escrupulosamente o fato de que a força atuando sobre um condutor com corrente, localizado através das linhas do campo magnético, é aplicada diretamente ao material. E se você aplicar tensão a um disco ou a um líquido, o material começará a mover-se obedientemente à influência total, e a natureza do movimento pode ser consistente com a forma da corrente elétrica, ou estar dissonada com ela. Uma força magnética constante atua no fluxo de partículas carregadas. Se a corrente fosse capaz de escolher o caminho através da espessura do material, depois de um tempo ela retornaria à trajetória anterior. O EMF da fonte torna-se a única força propulsora real. ”

O jovem cientista veio à mente que as linhas entram em conflito diretamente com alguns fenômenos já conhecidos. Pela simples razão de que a força que age sobre um fio com corrente depende da taxa de fluxo das cargas. Em contraste, a forma e a configuração do material adquirem um valor pequeno. Por sua vez, as interações entre cargas são explicadas por sua magnitude e signo, que é conhecido desde os dias de Charles Coulomb.

Após os escritos de Maxwell, a nota de Edwin sobre a indução unipolar( Annales de Chemie et de Physique, janeiro de 1879) chega aos olhos de Edwin Hall. O texto comprovou o fato de que o imã age sobre um condutor fixo com uma corrente de força semelhante, como se estivesse suspenso livremente. Hall encaminhou a pergunta para o professor Rowland e recebeu em resposta uma mensagem sobre o emprego de um marido erudito no momento. Edwin tinha à sua disposição um pensamento digno de um enigma. Juntamente com o Professor Hall, ele desenvolveu uma metodologia para o experimento:

Se a corrente não mantiver um caminho constante de movimento ao longo do fio sob a ação de um campo magnético, a densidade de cargas para um lado se tornará mais alta. Que naturalmente aumenta a resistência do condutor. Portanto, resta usar a lei de Ohm para testar a hipótese.

Foi escolhida uma hélice de fio plano( cerca de meio milímetro de diâmetro) de prata de níquel( semelhante a uma bobina de Tesla) com uma resistência total de 2 ohms, intercalada entre duas almofadas de borracha espessas, para implementar o experimento. Folha decidiu colocar entre os dois pólos de um imã de uma vasta área. De modo que as linhas da força de campo em cada ponto são perpendiculares à direção do fluxo de corrente. O eletroímã foi alimentado por 20 elementos de Bunsen conectados em 4 cadeias sucessivas de 5 ramificações. A intensidade resultante excedeu dezenas de milhares de vezes o componente horizontal do campo magnético da Terra.

Uma ponte Whitston de medição foi usada como um sensor, cuja diagonal incluía um galvanômetro do projeto de Lord Kelvin. A solução técnica de acordo com dados preliminares registrou a mudança na resistência da hélice em um milionésimo do valor total. De 7 a 11 de outubro, Edwin Hall realizou 13 experimentos, cada um com 40 medições: Medição de Resistência

1. com o ímã ligado.
2. Da mesma forma com o ímã desligado.
3. P. 1 com uma mudança na polaridade das linhas do campo magnético.
4. Repete o parágrafo 2.

As medições mostraram que o campo magnético pode reduzir e aumentar a resistência. O aumento máximo foi de quinze centésimos, o valor médio com base nos experimentos mostrou-se muito menor( cinco ppm).Ficou claro que as ações tomadas não eram suficientes para fazer certas declarações.É óbvio que a corrente é dificilmente reconhecida como substância incompressível, como se acreditava antes. Era necessário entender por que os resultados dos primeiros experimentos são tão diferentes em significado e direção de mudança na resistência.

O primeiro sensor Hall

O primeiro sensor Hall foi projetado pelo professor Rowland. Na mesma forma em que o dispositivo é usado hoje. Vendo que os experimentos de Edwin( e os seus) não levam ao resultado, o palestrante sugeriu um modelo antigo do experimento feito ao longo dos anos( o design do sensor Hall é descrito):

1. Um disco condutor( ou uma placa de outra forma) é ligado no circuito elétrico.
2. Com a ajuda de um galvanômetro, existem dois pontos equipotenciais nas laterais da figura.
3. O eletroímã é ligado, as linhas de intensidade de campo estão em um plano perpendicular ao disco.
4. Registra alterações nas leituras do galvanômetro.

: deveria detectar sinais de mudança quando as condições atuais de fluxo mudam. O experimento usou o sensor Hall no desempenho atual, mas a experiência falhou. Acredita-se que muita espessura do disco é a culpa. O professor chamou a atenção de Edwin e expressou a opinião de que a situação é reparável se usarmos uma folha fina de ouro montada sobre uma base de vidro( para evitar que o metal deforme o campo).A experiência de 28 de outubro, que foi completamente bem sucedida, foi capaz de fixar uma deflexão estável da agulha galvanômetro sob a ação de um campo magnético em uma placa com uma corrente.

E embora o movimento tenha se tornado permanente, ele desapareceu rapidamente, era impossível atribuir isso à indução magnética( das experiências de Faraday).Excluiu rapidamente o erro introduzido pelo campo de solenóides elétricos. No horizonte está claramente a descoberta.É notável que o efeito foi invertido quando a polaridade do ímã mudou. Para estabelecer as dependências quantitativas, o dispositivo foi ligeiramente melhorado:

• O contato forte da fonte de energia foi fornecido em cada lado com placas de latão, bem polidas e cuidadosamente soldadas a ouro( 9x2 cm).
• Um metal puro permaneceu no centro: uma região de 5,5 cm de comprimento e em toda a largura. Aqui as linhas do campo magnético passavam pelo ouro.
• Os contatos do galvanômetro de alta resistência da Thomson aproximavam-se das bordas eqüidistantes das placas de latão. Resultados da medição do

Durante o experimento, o campo magnético dos solenóides, as correntes através da placa e o galvanômetro foram medidos. O resultado foi registrado na forma de uma tabela apresentada na figura, mostrando que Edwin Hall conseguiu obter os primeiros padrões. Aconteceu em 12 de novembro de 1879.Apesar do fato de que a expressão à direita tem valores que diferem em 8%, é óbvio que a ordem dos números é a mesma. E vamos anotar os desvios nos erros dos experimentadores e equipamentos.

Os valores exatos nem sempre são importantes. Atualmente, os sensores Hall são usados ​​ativamente como indicadores da ausência ou presença de um campo magnético. Por exemplo, em teclados ou motores de máquinas de lavar roupa.

Aplicando o Efeito Hall na Prática

Já disse( ver sensores Hall) que as primeiras aplicações industriais do efeito Hall entraram na vida na segunda metade do século XX.Hoje, pouco mais da metade da participação no segmento está na indústria automotiva. Mais precisamente, tecnologias avançadas em outras áreas vêm de lá.Por exemplo, módulos ASIC e ASSP.O papel principal do décimo ano do século 21 pertence à Asahi Kasei Microsystems( AKM), que fornece bússolas para dispositivos móveis baseados no efeito Hall. Entre os gigantes industriais, notamos Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Entre os sensores de campo magnético baseados no efeito Hall ocupam uma parte honorária de 87%.

Muitas vezes, o sensor está incluído no chip. O ancestral histórico é a série CMOS.Em sua base, os sensores integrados no cristal foram liberados para medir o ângulo das velocidades de rotação do acelerador, direção, distribuição e virabrequim. A tecnologia é de grande importância na operação de motores de válvulas, onde os enrolamentos precisam ser comutados de certa forma pela posição angular do rotor. A medição da magnitude do campo envolveu os sensores 3D mais recentes que determinam a posição angular e linear do sistema de ímãs. Anteriormente, o fato da presença ou ausência de um objeto à vista era registrado. Isso é necessário para uma concorrência bem sucedida com a tecnologia magnetoresistiva.

Atualmente, as construções programáveis ​​são consideradas a última moda, onde diferentes funções são inseridas por meio de código. Os sensores podem ser usados ​​de várias maneiras. Por exemplo, de acordo com a posição mútua da área sensível e do ímã, existem modos:

1. Frontal. Nesse caso, o ímã fica diretamente oposto ao sensor, afastando-se dele ou aproximando-se em linha reta. O campo depende quadraticamente da distância e a lei do sinal de saída da distância se assemelha a uma hipérbole. Este modo é chamado unipolar, a tensão não pode mudar de direção. Deslizamento
2. .Nesse caso, há um espaço entre o bloco sensível e o ímã.Esta coordenada permanece inalterada. Um ímã pode deslizar paralelamente ao sensor no mesmo eixo. Neste caso, o campo não muda e a dependência do sinal de saída na coordenada está próxima da distribuição gaussiana. A direção da tensão não muda, portanto o modo também é chamado de unipolar.
3. Bipolar Glide.Às vezes, é necessário descobrir em que direção o imã se desviou. E não apenas determine a distância. Neste caso, o ímã é usado em ferradura. Consequentemente, os pólos produzem respostas de diferentes polaridades. O que deu o nome do regime.

Esses modos são usados ​​periodicamente em combinação. Por exemplo, quando você precisa posicionar com precisão o ímã em relação aos sensores( usando atuadores), a sensibilidade do equipamento aumenta com uma característica íngreme da dependência do sinal de saída nas coordenadas.Ímãs de três bandas com pólos alternados são usados. As descidas extremas do gráfico são suaves e o pico central é pronunciado. O que é conseguido posicionamento preciso do sistema.

Para reforçar as linhas de tensão, dando uma direção claramente definida, são usadas pontas de poste. Estas são peças de metal de ligas ferromagnéticas moles.À medida que o ímã se aproxima, as linhas começam a se esforçar em direção ao local, formando uma lacuna onde elas permanecem retas. Se você colocar o sensor Hall lá, a sensibilidade do sistema aumenta significativamente. Para o mesmo propósito, são usados ​​ímãs de polarização, que permanecem no lugar e não causam atuação independente.À medida que a parte móvel se aproxima, a densidade do campo magnético aumenta acentuadamente. Isso simplifica o acionamento e reduz os requisitos de sensibilidade do sensor.

Adicione que a estrutura dos sensores de sinal de saída seja analógica e digital. No último caso, o sistema se adapta facilmente à automação, e o sinal medido não perde mais a precisão, sendo transferido para processamento.