Učinek Hall

Hallov učinek je pojav pojavljanja razlike potencialov na robovih kovinske plošče pod vplivom magnetnega polja, ko skozi njega prehaja električni tok. Danes se uporablja v tipkovnicah, pralnih strojih, avtomobilih. Zanimiv članek o senzorjih Hall.

Zgodovina odkritja učinka

Ob odkritju Edwina Halla o tako specifičnem učinku je malo znanega. Iz nekega razloga v tako literaturi ne govorimo o tako pomembnem dogodku. Oddelek o senzorjih Hall omenja, da je Edwin ključno opazoval doktorat na univerzi Johns Hopkins v Baltimoru. Dogodek se je zgodil leta 1879.To je vse, kar bomo našli v literaturi o izvoru velikega odkritja.

Navedeni vir, o katerem ni bilo govora. To je opomba z dne 19. novembra, v jeseni American Journal of Mathematics iz leta 1879( zvezek 2, št. 3).Edwin pravi na straneh 287-292 izdaje:

“V zadnjem letu sem preučevala veliko Maxwell Electricity in magnetizma, predavanja profesorja Rowlanda. Ločene vrstice so v središču pozornosti!»Skrbno je treba opozoriti na dejstvo, da se sila, ki deluje na prevodnik s tokom, ki je nameščena čez linije magnetnega polja, nanese neposredno na material. In če napetost uporabite na disku ali tekočini, se bo material začel poslušno premikati k vplivu v celoti, narava gibanja pa bo lahko skladna z obliko električnega toka ali pa bo v neskladju z njim. Na tok nabitih delcev deluje stalna magnetna sila.Če bi tok lahko izbral pot skozi debelino materiala, bi se po določenem času vrnil na prejšnjo pot. EMF vira postane edina resnična gonilna sila. «

Mladi znanstvenik je prišel na misel, da linije neposredno nasprotujejo nekaterim že znanim pojavom. Iz preprostega razloga, da je sila, ki deluje na žico s tokom, odvisna od hitrosti pretoka nabojev. Nasprotno pa oblika in konfiguracija materiala dobita majhno vrednost. Po drugi strani pa so interakcije med naboji pojasnjene z njihovo velikostjo in znakom, kar je znano že od časa Charlesa Coulbona.

Po Maxwellovih zapisih je Edwinova opomba o Unipolarni indukciji( Annales de Chemie et de Physique, januar 1879) prišla do oči Edwina Halla. Besedilo dokazuje dejstvo, da magnet deluje na fiksni vodnik s tokom podobne sile, kot da bi bil prosto obešen. Hall je vprašanje posredoval profesorju Rowlandu in v odgovoru prejel sporočilo o zaposlitvi moža učenjaka v tem trenutku. Edwin je imel na razpolago misel, vredno uganke. Skupaj z profesorjem Hallom je razvil metodologijo za eksperiment:

Če tok ne vzdržuje konstantne poti gibanja vzdolž žice pod vplivom magnetnega polja, postane gostota naboja na eni strani višja. To seveda povečuje odpornost vodnika. Zato je treba uporabiti Ohmov zakon, da bi preizkusili hipotezo.

Za izvedbo poskusa je bila izbrana ploska žična spirala( približno pol milimetra v premeru) nikljevega srebra( podobna Tesla tuljavi) s celotnim uporom 2 ohmov, stisnjena med dve debeli gumijasti blazinici. Sheet se je odločil postaviti med dva pola magneta velikega območja. Tako, da so črte poljske jakosti v vsaki točki pravokotne na smer toka toka. Elektromagnet je napajal 20 Bunsenovih elementov, povezanih v 4 zaporednih verig s 5 vejami. Nastala intenzivnost je presegla več deset tisočkrat večjo horizontalno komponento magnetnega polja Zemlje.

Kot senzor je bil uporabljen merilni Whitstonov most, katerega diagonala je vključevala galvanometer oblikovanja Lorda Kelvina. Tehnična rešitev po predhodnih podatkih je zabeležila spremembo upornosti vijačnice v milijoninki skupne vrednosti. Od 7. do 11. oktobra je Edwin Hall izvedel 13 poskusov, od katerih je vsak obsegal 40 meritev:

1. Resistance Measurement z magnetom.
2. Podobno kot pri izklopljenem magnetu.
3. P. 1 s spremembo polarnosti linij magnetnega polja.
4. Ponovi odstavek 2.

Meritve so pokazale, da lahko magnetno polje zmanjša in poveča odpornost. Največje povečanje je bilo petnajst stotin, povprečna vrednost na podlagi poskusov se je izkazala za veliko manjšo( pet ppm).Postalo je jasno, da sprejeti ukrepi niso dovolj za nekatere izjave. Očitno je, da je tok težko prepoznan kot nestisljiva snov, kot je bilo verjetno prej. Potrebno je bilo razumeti, zakaj so rezultati prvih poskusov tako različni glede pomena in smeri spremembe odpornosti.

Prvi Hall senzor

Prvi Hall senzor je oblikoval profesor Rowland. V isti obliki, v kateri se naprava danes uporablja. Glede na to, da Edwinovi poskusi( in njegovi lastni) ne vodijo do rezultata, je predavatelj predlagal stari model poskusa, ki je bil opravljen skozi leta( opisana je oblika Hallovega senzorja):

1. V električnem vezju je vključen prevodni disk( ali ploščica druge oblike).
2. S pomočjo galvanometra se na straneh slike nahajata dve ekvipotencialni točki.
3. Elektromagnet je vklopljen, linije poljske jakosti ležijo v ravnini, ki je pravokotna na disk.
4. Zapiše spremembe v odčitkih galvanometra.

naj bi zaznal znake sprememb, ko se trenutni pogoji pretoka spremenijo. Poskus je uporabil Hall senzor v trenutni zmogljivosti, vendar izkušnja ni uspela. Menijo, da je kriva prevelika debelina diska. Profesor je to pripeljal do Edwinove pozornosti in izrazil mnenje, da je stanje mogoče popraviti, če uporabimo tanek zlat list, pritrjen na stekleno podlago( da preprečimo, da bi kovina deformirala polje).Izkušnje z dne 28. oktobra, ki so bile popolnoma uspešne, so uspele popraviti stabilno deformacijo galvanometrske igle pod vplivom magnetnega polja na ploščo s tokom.

In čeprav se je gibanje izkazalo za trajno, je hitro izginilo, to ni bilo mogoče pripisati magnetni indukciji( iz Faradayovih poskusov).Hitro je izključila napako, ki jo je povzročilo polje električnih elektromagnetov. Na obzorju se očitno pojavlja odkritje. Zanimivo je, da je bil učinek obrnjen, ko se je spremenila polarnost magneta. Za določitev kvantitativnih odvisnosti se je naprava nekoliko izboljšala:

• Močan stik vira energije je bil zagotovljen na vsaki strani z medeninastimi ploščami, dobro poliranimi in previdno spajkanimi na zlato( 9x2 cm).
• V sredini je ostala čista kovina: dolžina 5,5 cm in celotna širina. Tukaj so linije magnetnega polja prešle skozi zlato.
• Thomsonovi visoko odporni galvanometrski kontakti so se približali robovom, ki so enako oddaljeni od medeninastih plošč.

Med eksperimentom so izmerili magnetno polje solenoidov, tokove skozi ploščo in galvanometer. Rezultat je bil zabeležen v obliki tabele na sliki, ki kaže, da je Edwin Hall uspel dobiti prve vzorce. To se je zgodilo 12. novembra 1879.Kljub temu, da ima izraz na desni vrednost, ki se razlikuje za 8%, je očitno, da je vrstni red številk enak. Odpisali bomo odstopanja napak poskusnikov in opreme.

Natančne vrednosti niso vedno pomembne. Danes se Hall senzorji aktivno uporabljajo kot indikatorji odsotnosti ali prisotnosti magnetnega polja. Na primer v tipkovnicah ali motorjih pralnih strojev.

Uporaba efekta Hall v praksi

Že povedal( glej Hallovih senzorjev), da so prve industrijske aplikacije Hallovega učinka našle pot v življenju v drugi polovici 20. stoletja. Danes je nekaj več kot polovica deleža v avtomobilski industriji. Natančneje - od tam prihajajo napredne tehnologije na drugih področjih. Na primer moduli ASIC in ASSP.Vodilno vlogo za deseto leto 21. stoletja ima Asahi Kasei Microsystems( AKM), ki oskrbuje kompase za mobilne naprave na podlagi Hallovega učinka. Med industrijskimi velikani opažamo Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Med senzorji magnetnega polja, ki temeljijo na Hall-jevem učinku, je 87% častnega deleža.

Senzor je pogosto vključen v čip. Zgodovinski prednik je serija CMOS.Na njeni podlagi so bili sproščeni senzorji, integrirani v kristal, da bi izmerili kot vrtilne frekvence plina, krmiljenja, porazdelitve in vrtenja motorne gredi. Tehnologija je zelo pomembna pri delovanju ventilskih motorjev, kjer je treba navitja na določen način vključiti glede na kotni položaj rotorja. Meritev velikosti polja je vključevala najnovejše 3D-senzorje, ki določajo kotni in linearni položaj sistema magnetov. Prej je bilo preprosto dejstvo prisotnosti ali odsotnosti predmeta na vidiku. To je potrebno za uspešno tekmovanje z magnetoresistive tehnologijo.

Danes programirljive konstrukcije veljajo za najnovejšo modo, kjer se s kodo vnašajo različne funkcije. Senzorje lahko uporabljate na različne načine. Na primer, glede na medsebojni položaj občutljivega območja in magneta, obstajajo načini:

1. Frontal. V tem primeru je magnet neposredno nasproti senzorja, se odmika od njega ali se približuje v ravni liniji. Polje je kvadratno odvisno od razdalje, zakon izhodnega signala iz razdalje pa je podoben hiperboli. Ta način se imenuje unipolarna, napetost ne more spremeniti smeri.
2. Slip. V tem primeru obstaja razdalja med občutljivo blazinico in magnetom. Ta koordinata ostane nespremenjena. Magnet se lahko pomika vzporedno s senzorjem na isti osi. V tem primeru se polje ne spremeni in odvisnost izhodnega signala od koordinate je blizu Gaussove porazdelitve. Smer napetosti se ne spreminja, zato je način imenovan tudi unipolar.
3. Bipolarno drsenje. Včasih je treba ugotoviti, v katero smer se je magnet upognil. In ne samo določiti razdaljo. V tem primeru se magnet uporablja podkve. V skladu s tem poli proizvajajo odzive različnih polaritet. Kaj je dalo ime režima.

Ti načini se občasno uporabljajo v kombinaciji. Na primer, ko morate natančno postaviti magnet glede na senzorje( z uporabo aktuatorjev), se občutljivost opreme poveča s strmo značilnostjo odvisnosti izhodnega signala od koordinat. Uporabljajo se tri-pasovni magneti z izmeničnimi poli. Ekstremni spusti grafov so nežni, osrednji vrh je izrazit. Kaj je doseženo natančno pozicioniranje sistema.

Za okrepitev linij napetosti, ki dajejo jasno opredeljeno smer, se uporabljajo polni konici. To so kosi kovine iz mehkih feromagnetnih zlitin. Ko se magnet približa, se črte začnejo pomikati proti mestu in tvorijo režo, kjer ostanejo ravne.Če je senzor Hall nameščen tam, se občutljivost sistema bistveno poveča. Za isti namen se uporabljajo magnetni prednapeti, ki ostanejo na svojem mestu in ne povzročajo neodvisnega aktiviranja. Ko se gibljivi del približuje, se gostota magnetnega polja močno poveča. To poenostavi sprožitev in zmanjša zahteve občutljivosti senzorja.

Dodajte, da je struktura senzorjev izhodnega signala analogna in digitalna. V slednjem primeru se sistem enostavno kombinira z avtomatizacijo in izmerjeni signal ne izgubi več natančnosti in se prenese na obdelavo.