Hall efekt

Hallov efekt je fenomén výskytu potenciálneho rozdielu na hranách kovovej platne pod pôsobením magnetického poľa, keď prechádza cez elektrický prúd. Dnes sa používa v klávesniciach, práčkach, autách. Zaujímavý článok o Hallových snímačoch.

História objavovania efektu

Na objav Edwina Halla o takomto špecifickom efekte je málo známe. Z nejakého dôvodu sa takáto významná udalosť v literatúre nehovorí.V časti o Hallových senzoroch sa uvádza, že Edwin urobil kľúčové pozorovania počas doktorandského štúdia na univerzite Johns Hopkins v Baltimore. Táto udalosť nastala v roku 1879.Toto je všetko, čo sa v literatúre nachádza v súvislosti s pôvodom veľkého objavu.

Spomenutý zdroj, nie je tak diskutovaný.Toto je poznámka z 19. novembra, na jeseň American Journal of Mathematics z roku 1879( zväzok 2, č. 3).Edwin hovorí na stranách 287-292 vydania:

"Počas uplynulého roka som študoval veľa Maxwell Electricity a magnetizmu, prednášky profesora Rowlanda. Samostatné linky zasiahnu reflektor!"Je potrebné dôkladne poznamenať, že sila pôsobiaca na vodič s prúdom, ktorý sa nachádza naprieč línii magnetického poľa, sa aplikuje priamo na materiál. A ak použijete napätie na disk alebo na kvapalinu, materiál sa začne posúvať poslušne k vplyvu plne a povaha pohybu môže byť v súlade s tvarom elektrického prúdu, alebo byť v jeho nesúlade. Konštantná magnetická sila pôsobí na tok nabitých častíc. Ak by prúd mohol vybrať cestu cez hrúbku materiálu, potom by sa po čase vrátil k predchádzajúcej trajektórii. EMF zdroja sa stáva jedinou skutočnou hnacou silou. "

Mladý vedec prišiel na myseľ, že riadky priamo konfliktujú s niektorými už známymi javmi. Z jednoduchého dôvodu, že sila pôsobiaca na drôt s prúdom závisí od rýchlosti toku nábojov. Naproti tomu tvar a konfigurácia materiálu získavajú malú hodnotu. Na druhej strane vzájomné pôsobenie medzi obvineniami sa vysvetľuje ich veľkosťou a znamením, ktoré boli známe od čias Charlesa Coulomba.

Po Maxwellových spisoch Edwinova poznámka o Unipolárnej indukcii( Annales de Chemie et de Physique, január 1879) narazila do očí Edwin Hall. Text potvrdil skutočnosť, že magnet pôsobí na pevný vodič s prúdom podobnej sily, ako keby bol voľne zavesený.Hall poslal túto otázku profesorovi Rowlandovi a v reakcii dostala správu o zamestnávaní učenca v súčasnosti. Edwin mal k dispozícii myšlienku hodnú hádanky. Spolu s profesorom Hallom vyvinul metodológiu pre experiment:

Ak prúd neudrží konštantnú dráhu pohybu pozdĺž drôtu pod pôsobením magnetického poľa, hustota nábojov na jednej strane sa zvýši. Prirodzene zvyšuje odpor vodiča. Preto zostáva používať Ohmov zákon na testovanie hypotézy.

Na uskutočnenie experimentu bola vybraná plochá špirálovitá špirála( asi polmilimetrový priemer) nikelnatého striebra( pripomínajúca Teslovu cievku) s celkovým odporom 2 ohmov, vložená medzi dve hrubé gumové podložky. List sa rozhodol umiestniť medzi dva póly magnetu obrovskej oblasti. Takže čiary intenzity poľa v každom bode sú kolmé na smer toku prúdu. Elektromagnet bol poháňaný 20 prvkami Bunsen pripojenými v 4 po sebe nasledujúcich reťazcoch s 5 vetvami. Výsledná intenzita prekročila desiatky tisíckrát horizontálnu zložku magnetického poľa Zeme.

Ako senzor bol použitý merací Whitstonov most, ktorého diagonál zahŕňal galvanometer od návrhu Lorda Kelvina. Technické riešenie podľa predbežných údajov zaznamenalo zmenu odporu špirály v miliónoch z celkovej hodnoty. Od 7. do 11. októbra vykonal Edwin Hall 13 experimentov, z ktorých každá pozostávala z 40 meraní: meranie odporu

1. s magnetom zapnutým.
2. Podobne s vypnutým magnetom.
3. P. 1 so zmenou polarity línií magnetického poľa.
4. Opakuje odsek 2.

Merania ukázali, že magnetické pole môže znížiť a zvýšiť odpor. Maximálny nárast bol pätnásť setínov, priemerná hodnota na základe experimentov sa ukázala byť oveľa menšia( päť ppm).Zistilo sa, že prijaté opatrenia nestačili na to, aby urobili určité vyhlásenia. Je zrejmé, že prúd je ťažko rozpoznateľný ako nestlačiteľná látka, ako sa predtým verilo. Treba pochopiť, prečo sú výsledky prvých experimentov tak odlišné v zmysle a smerovaní zmeny odporu.

Prvý hallový snímač

Prvý hallový snímač bol navrhnutý profesorom Rowlandom. V tej istej forme, v ktorej sa zariadenie používa dnes. Keď vidíme, že Edwinove experimenty( a jeho vlastné) nevedú k výsledku, lektor navrhol starý model experimentu, ktorý bol vykonaný v priebehu rokov( je opísaný návrh Hallovho snímača):

1. V elektrickom obvode je zapnutý vodivý disk( alebo doska iného tvaru).
2. Pomocou galvanometra sa na stranách obrázku nachádzajú dva ekvipotenciálne body.
3. Je zapnutý elektromagnet, ktorého súradnice intenzity poľa ležia v rovine kolmej na disk.
4. Zaznamenáva zmeny v odčítaní galvanometra.

, ktorá mala odhaliť príznaky zmeny, keď sa zmenia súčasné podmienky toku. Experiment používal Hallov snímač v aktuálnom výkone, ale skúsenosť zlyhala. Predpokladá sa, že je príliš veľká hrúbka disku. Profesor to priniesol Edwinovi pozornosť a vyjadril názor, že situácia je opraviteľná, ak použijeme tenkú zlatú tabuľu namontovanú na sklenenú základňu( aby sa zabránilo deformácii kovu na poli).Skúsenosť z 28. októbra, ktorá bola úplne úspešná, dokázala zaistiť stabilnú deformáciu galvanometrickej ihly pod pôsobením magnetického poľa na doske s prúdom.

A hoci sa pohyb ukázal byť trvalý, rýchlo zmizol, nebolo to možné pripisovať magnetickému indukcii( od Faradayových experimentov).Rýchlo vylúčila chybu zavedenú v oblasti elektrických solenoidov. Na obzore sa zjavne objavuje objav. Je pozoruhodné, že účinok bol prevrátený, pretože polarita magnetu sa zmenila. Na stanovenie kvantitatívnych závislostí bolo zariadenie mierne vylepšené:

• Silný kontakt zdroja energie bol na každej strane vybavený mosadznými platňami, dobre leštené a opatrne spájkované na zlato( 9x2 cm).
• V strede zostal čistý kov: oblasť o dĺžke 5,5 cm a po celej šírke. Tu prešli hranice magnetického poľa zlatom.
• Kontakt s vysoko odolným galvanometrom Thomson sa priblížil k okrajom rovnomerne od mosadzných dosiek.

Počas experimentu sa meralo magnetické pole solenoidov, prúdy cez platňu a galvanometer. Výsledok bol zaznamenaný vo forme tabuľky uvedenej na obrázku, čo dokazuje, že Edwin Hall získal prvé vzory. Stalo sa to 12. novembra 1879.Napriek tomu, že výraz vpravo má hodnoty, ktoré sa líšia o 8%, je zrejmé, že poradie čísel je rovnaké.A odpíšeme odchýlky od chýb experimentátorov a zariadení.

Presné hodnoty nie sú vždy dôležité.Dnes sú Hallove senzory aktívne používané ako indikátory neprítomnosti alebo prítomnosti magnetického poľa. Napríklad v klávesniciach alebo motoroch práčok.

Aplikácia Hallovho efektu v praxi

Už bolo povedané( pozri Hallovy senzory), že prvé priemyselné aplikácie Hallovho efektu našli cestu do života v druhej polovici 20. storočia. Dnes je v automobilovom priemysle o niečo viac ako polovica segmentu. Presnejšie - odtiaľ sú vyspelé technológie v iných oblastiach. Napríklad moduly ASIC a ASSP.Vedúcou úlohou desiateho roka 21. storočia patrí spoločnosť Asahi Kasei Microsystems( AKM), ktorá dodáva kompasy pre mobilné zariadenia založené na Hallovom efekte. Medzi priemyselnými gigantmi zaznamenávame Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Medzi senzormi magnetického poľa založenými na efekt Hall pôsobí čestný podiel 87%.

Čidlo je často zahrnuté do čipu. Historickým predchodcom je séria CMOS.Na svojom základe boli senzory integrované do kryštálu uvoľnené na meranie uhla škrtiacej klapky, riadenia, distribúcie a rýchlosti otáčania kľukového hriadeľa. Táto technológia má veľký význam pri prevádzke ventilových motorov, kde je potrebné vinutia určitým spôsobom prepínať podľa uhlovej polohy rotora. Meranie veľkosti poľa zahŕňalo najnovšie 3D senzory, ktoré určujú uhlové a lineárne polohy systému magnetov. Predtým to bolo jednoducho skutočnosť prítomnosti alebo neprítomnosti objektu v očiach. Je to nevyhnutné pre úspešnú súťaž s magnetorezistickou technológiou.

Dnes programovateľné konštrukcie sú považované za najnovšiu módu, kde sú zadávané rôzne funkcie pomocou kódu. Snímače môžu byť použité rôznymi spôsobmi. Napríklad podľa vzájomnej polohy citlivej oblasti a magnetu existujú režimy:

1. Frontal. V tomto prípade je magnet priamo oproti senzoru, pohybuje sa od neho alebo priblíži sa v priamke. Pole závisí kvadraticky na vzdialenosti a zákon výstupného signálu zo vzdialenosti sa podobá hyperbole. Tento režim sa nazýva unipolárny, napätie nemôže zmeniť smer.
2. Slip. V tomto prípade existuje medzera medzi citlivou podložkou a magnetom. Táto súradnica zostáva nezmenená.Magnet sa môže posúvať paralelne so snímačom na rovnakej osi. V tomto prípade sa pole nezmení a závislosť výstupného signálu na súradnici sa blíži k Gaussovskej distribúcii. Smer napätia sa nemení, preto sa režim nazýva aj unipolárny.
3. Bipolárny sklz. Niekedy je potrebné zistiť, akým smerom sa magnet odklonil. A nielen určiť vzdialenosť.V tomto prípade sa magnet používa podkova. V dôsledku toho póly vytvárajú reakcie s rôznymi polaritami.Čo dalo meno režimu.

Tieto režimy sa pravidelne používajú v kombinácii. Napríklad, ak potrebujete presne umiestniť magnet vzhľadom na snímače( pomocou pohonov), citlivosť zariadenia sa zvyšuje so strmou charakteristikou závislosti výstupného signálu na súradniciach. Používajú sa trojpásmové magnety so striedavými pólmi. Krajné klesania grafu sú mierne a stredový vrchol je výrazný.Čo je dosiahnuté presné umiestnenie systému.

Na zosilnenie línií napätia s jasne definovaným smerom sa používajú špičky tyčí.Jedná sa o kusy kovu z mäkkých feromagnetických zliatin. Ako sa magnet približuje, linky sa začínajú snažiť smerom k miestu a vytvárajú medzeru, kde zostávajú rovní.Ak tam umiestnite senzor Hall, citlivosť systému sa výrazne zvýši. Na ten istý účel sa používajú predpínacie magnety, ktoré zostávajú na mieste a nespôsobujú nezávislé ovládanie. Ako sa pohybuje pohyblivá časť, hustota magnetického poľa sa prudko zvyšuje. To zjednodušuje spúšťanie a znižuje požiadavky citlivosti snímača.

Pridajte, že štruktúra senzorov výstupného signálu je analógová a digitálna. V druhom prípade sa systém ľahko spája s automatizáciou a meraný signál už stráca presnosť, pričom sa prenáša na spracovanie.