Hall efect

Efectul Hall este fenomenul apariției unei diferențe de potențial la marginile unei plăci metalice sub acțiunea unui câmp magnetic atunci când un curent electric trece prin el. Astăzi este folosit în claviaturi, mașini de spălat, mașini. Un articol interesant despre senzorii Hall.

Istoria descoperirii efectului

La descoperirea de către Edwin Hall a unui astfel de efect specific, puțin se știe. Din anumite motive, un astfel de eveniment semnificativ nu este discutat în literatura de specialitate. Secțiunea referitoare la senzorii de cameră menționează că Edwin a făcut observații cheie în timpul obținerii diplomei de doctorat de la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore. Evenimentul a avut loc în 1879.Acesta este tot ce se va găsi în literatura de specialitate cu privire la originea marii descoperiri.

Sursa menționată, care nu a fost discutată așa. Aceasta este o notă din 19 noiembrie, în Jurnalul American de matematică din toamna anului 1879( vol. 2, nr. 3).Edwin vorbește la paginile 287-292 ale ediției:

"În ultimul an am studiat o mulțime de Maxwell Electricity and magnetism, prelegerile profesorului Rowland. Liniile separate au lovit lumina reflectoarelor!"Este necesar să observăm cu scrupulozitate faptul că forța care acționează asupra unui conductor cu curent, amplasat pe liniile câmpului magnetic, este aplicat direct pe material.Și dacă aplicați tensiune pe un disc sau pe un lichid, materialul va începe să se miște ascultător la influență pe deplin, iar natura mișcării poate fi în concordanță cu forma curentului electric sau poate fi în disonanță cu acesta. O forță magnetică constantă acționează asupra fluxului de particule încărcate. Dacă curentul ar fi putut să aleagă calea prin grosimea materialului, atunci după un timp ar reveni la traiectoria anterioară.EMF-ul sursei devine singura forță motrice adevărată. "

Tânărul om de știință a venit în minte că liniile direct contrazice unele fenomene deja cunoscute. Din simplul motiv că forța care acționează asupra unui fir cu curent depinde de viteza de încărcare a încărcăturii. Dimpotrivă, forma și configurația materialului dobândesc o valoare mică.La rândul său, interacțiunile dintre taxe se explică prin magnitudinea și semnul lor, care a fost cunoscut încă din zilele lui Charles Coulomb.

După scrierile lui Maxwell, nota lui Edwin despre inducția unipolară( Annales de Chemie et de Physique, ianuarie 1879) se întâlnește cu ochii lui Edwin Hall. Textul a dovedit faptul că magnetul acționează asupra unui conductor fix cu un curent de forță similară, ca și cum ar fi suspendat liber. Hall a transmis întrebarea profesorului Rowland și a primit în răspuns un mesaj despre angajarea unui soț savant în momentul de față.Edwin avea la dispoziție un gând demn de o enigmă.Împreună cu profesorul Hall, el a elaborat o metodologie pentru experiment:

Dacă curentul nu menține o cale constantă de mișcare de-a lungul firului sub acțiunea unui câmp magnetic, densitatea încărcărilor pe o parte va deveni mai mare. Care, în mod natural, mărește rezistența conductorului. Prin urmare, rămâne să folosim legea lui Ohm pentru a testa ipoteza.

Pentru a implementa experimentul a fost aleasă o spirală de sârmă plană( aproximativ jumătate de milimetru în diametru) de argint de nichel( asemănătoare unei bobine Tesla) cu o rezistență totală de 2 ohmi, între două plăci de cauciuc groase. Foaia a hotărât să plaseze între doi poli ai unui magnet dintr-o zonă vastă.Deci liniile de intensitate a câmpului în fiecare punct sunt perpendiculare pe direcția curentului de curent. Electromagnetul a fost alimentat de 20 de elemente Bunsen conectate în 4 lanțuri succesive de câte 5 ramuri. Intensitatea rezultată a depășit zeci de mii de ori componenta orizontală a câmpului magnetic al Pământului.

O punte de măsurare Whitston a fost utilizată ca senzor, diagonala căruia a inclus un galvanometru al designului lui Lord Kelvin. Soluția tehnică, conform datelor preliminare, a înregistrat modificarea rezistenței helixului într-o milionă din valoarea totală.Între 7 și 11 octombrie, Edwin Hall a efectuat 13 experimente, fiecare constând din 40 de măsurători: Masurarea rezistenței

1. cu magnetul pornit.
2. Similar cu magnetul oprit.
3. P. 1 cu o schimbare în polaritatea liniilor câmpului magnetic.
4. Repetă punctul 2.

Măsurătorile au arătat că câmpul magnetic poate reduce și mări rezistența. Creșterea maximă a fost de cincisprezece sute, valoarea medie pe baza experimentelor sa dovedit a fi mult mai mică( cinci ppm).A devenit clar că acțiunile întreprinse nu au fost suficiente pentru a face anumite declarații. Este evident că curentul este greu recunoscut ca substanță incompresibilă, așa cum sa crezut anterior. A fost necesar să se înțeleagă de ce rezultatele primelor experimente sunt atât de diferite în sensul și direcția schimbării rezistenței.

Primul senzor Hall

Primul senzor Hall a fost proiectat de profesorul Rowland.În aceeași formă în care dispozitivul este utilizat astăzi. Văzând că experimentele lui Edwin( și ale lui) nu duc la rezultat, lectorul a sugerat un vechi model al experimentului realizat de-a lungul anilor( este descris proiectul senzorului Hall):

1. Un circuit conductiv( sau o placă de altă formă) este pornit în circuitul electric.
2. Cu ajutorul unui galvanometru, pe părțile laterale ale figurii sunt amplasate două puncte echipotențiale.
3. Electromagnetul este pornit, liniile de rezistență ale câmpului se află într-un plan perpendicular pe disc.
4. Înregistrează modificările citirilor galvanometrului.

, care ar fi trebuit să detecteze semnele de schimbare atunci când condițiile de flux de curent se schimbă.Experimentul a folosit senzorul Hall în performanța curentă, dar experiența a eșuat. Se crede că este de vină prea multă grosime a discului. Profesorul a adus acest lucru atenției lui Edwin și și-a exprimat opinia că situația este reparabilă dacă folosim o foaie de aur subțire montată pe o bază de sticlă( pentru a împiedica metalul să deformeze câmpul).Experiența din 28 octombrie, care a avut un succes complet, a reușit să stabilească o deformare stabilă a acului galvanometric sub acțiunea unui câmp magnetic pe o placă cu curent.

Și deși mișcarea sa dovedit a fi permanentă, ea a dispărut rapid, imposibil de a atribui aceasta inducerii magnetice( de la experimentele lui Faraday).Au fost eliminate rapid erorile introduse de câmpul solenoidelor electrice. La orizont se vede clar o descoperire. Este remarcabil faptul că efectul a fost inversat deoarece polaritatea magnetului sa schimbat. Pentru a stabili dependențele cantitative, dispozitivul a fost ușor îmbunătățit:

• Contactul puternic al sursei de alimentare a fost furnizat pe fiecare parte cu plăci de alamă bine lustruite și atent lipite la aur( 9x2 cm).
• Un metal pur a rămas în centru: o zonă de 5,5 cm lungime și pe întreaga lățime. Aici liniile câmpului magnetic au trecut prin aur.
• Contactele galvanometrice de rezistență ridicată Thomson s-au apropiat de margini, echidistant față de plăcile din alamă.

În timpul experimentului s-au măsurat câmpul magnetic al solenoidelor, curenții prin placă și galvanometru. Rezultatul a fost înregistrat sub forma unui tabel prezentat în figură, care arată că Edwin Hall a reușit să obțină primele modele. Sa întâmplat în 12 noiembrie 1879.În ciuda faptului că expresia din dreapta are valori care diferă cu 8%, este evident că ordinea numerelor este aceeași.Și vom scrie abaterile de la erorile experimenților și ale echipamentului.

Valorile exacte nu sunt întotdeauna importante. Astăzi, senzorii Hall sunt utilizați în mod activ ca indicatori ai absenței sau prezenței unui câmp magnetic. De exemplu, în tastaturi sau motoare ale mașinilor de spălat.

Aplicarea efectului Hall în practică

A fost deja spus( a se vedea senzorii Hall) că primele aplicații industriale ale efectului Hall și-au găsit drumul în viață în a doua jumătate a secolului al XX-lea. Astăzi, puțin peste jumătate din cota de segment este în industria automobilelor. Mai precis - tehnologiile avansate din alte domenii provin de acolo. De exemplu, modulele ASIC și ASSP.Rolul principal al celui de-al zecelea an al secolului XXI aparține Asahi Kasei Microsystems( AKM), care furnizează busole pentru dispozitive mobile bazate pe efectul Hall. Printre giganții industriali menționăm Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Printre senzorii de câmp magnetic, bazați pe efectul Hall, se situează o cotă de onoare de 87%.

Adesea, senzorul este inclus în cip. Strămoșul istoric este seria CMOS.Pe baza sa, senzorii integrați în cristal au fost eliberați pentru a măsura unghiul vitezei de rotație a accelerației, direcției, distribuției și arborelui cotit. Tehnologia are o importanță deosebită în funcționarea motoarelor cu supape, unde înfășurările trebuie să se schimbe într-un anumit mod în funcție de poziția unghiulară a rotorului. Măsurarea amplorii câmpului a implicat ultimii senzori 3D care determină poziția unghiulară și liniară a sistemului de magneți. Anterior, a fost pur și simplu faptul de prezența sau absența unui obiect în vedere. Acest lucru este necesar pentru o concurență reușită cu tehnologia magnetorezistă.

Construcțiile programabile de astăzi sunt considerate a fi cele mai recente moduri în care diferite funcții sunt introduse prin intermediul codului. Senzorii pot fi utilizați în diferite moduri. De exemplu, în funcție de poziția reciprocă a zonei sensibile și a magnetului, există moduri:

1. Frontal.În acest caz, magnetul se află direct în fața senzorului, se îndepărtează de el sau se apropie de o linie dreaptă.Câmpul depinde în mod quadratic de distanța și legea semnalului de ieșire de la distanță seamănă cu o hiperbolă.Acest mod se numește unipolar, tensiunea nu poate schimba direcția.
2. Slip.În acest caz, există un spațiu între placa sensibilă și magnet. Această coordonată rămâne neschimbată.Un magnet poate aluneca paralel cu senzorul pe aceeași axă.În acest caz, câmpul nu se schimbă, iar dependența semnalului de ieșire de coordonate este aproape de distribuția Gaussiană.Direcția de tensiune nu se schimbă, prin urmare, modul este, de asemenea, numit unipolar.
3. Glide bipolare. Uneori este necesar să aflăm în ce direcție magnetul sa defectat.Și nu numai să determinați distanța.În acest caz, magnetul este folosit pentru potcoavă.În consecință, polii produc răspunsuri de polarități diferite. Ce a dat numele regimului.

Aceste moduri sunt utilizate periodic în combinație. De exemplu, când trebuie să poziționați cu precizie magnetul în raport cu senzorii( cu ajutorul dispozitivelor de acționare), sensibilitatea echipamentului crește cu o caracteristică abruptă a dependenței semnalului de ieșire de coordonate. Sunt utilizați magneți cu trei benzi cu stâlpi alternativi. Coborârile extreme ale graficului sunt blânde, iar vârful central este pronunțat. Ce se obține poziționarea exactă a sistemului.

Pentru a întări liniile de tensiune, oferind o direcție clar definită, se folosesc vârfuri de pol. Acestea sunt bucăți de metal din aliaje feromagnetice moi. Pe masura ce se apropie magnetul, liniile incearca sa se straduiasca spre site, formand un gol in care raman drept. Dacă plasați senzorul Hall acolo, sensibilitatea sistemului crește semnificativ.În același scop, se folosesc magneți de polarizare, care rămân în loc și nu provoacă acționare independentă.Pe măsură ce se apropie partea mobilă, densitatea câmpului magnetic crește brusc. Acest lucru simplifică declanșarea și reduce cerințele sensibilității senzorului.

Adăugați faptul că structura senzorilor de semnal de ieșire este analogică și digitală.În acest din urmă caz, sistemul se potrivește ușor cu automatizarea, iar semnalul măsurat nu mai pierde precizia, fiind transferat pentru prelucrare.