Hall effekt

Hall-effekten är fenomenet av förekomsten av en potentiell skillnad vid kanterna på en metallplatta under verkan av ett magnetfält när en elektrisk ström passerar genom den. Idag används den i tangentbord, tvättmaskiner, bilar. En intressant artikel om Hall sensorerna.

Historien om upptäckten av

-effekten På upptäckten av Edwin Hall av en sådan specifik effekt är lite känt. Av en eller annan anledning diskuteras inte en så stor händelse i litteraturen. Avsnittet om Hall sensorer nämner att Edwin gjorde viktiga observationer under doktorsexamen vid Johns Hopkins University i Baltimore. Händelsen skedde 1879.Det här är allt som finns i litteraturen om ursprunget till den stora upptäckten.

Nämnd källa, inte så diskuterad. Detta är en anteckning daterad 19 november, i höstens amerikanska matematiska tidskrift av 1879( volym 2, nr 3).Edwin talar på sidorna 287-292 i upplagan:

"Under det senaste året har jag studerat mycket Maxwell Electricity och magnetism, föreläsningar av professor Rowland. Separata linjer slår på strålkastaren!"Det är nödvändigt att noggrant notera det faktum att kraften som verkar på en ledare med ström, belägen över magnetfältlinjerna, appliceras direkt på materialet. Och om du applicerar spänning på en skiva eller en vätska, börjar materialet lyda fullständigt, och rörelseens natur kan överensstämma med elströmens form eller vara oförenlig med den. En konstant magnetisk kraft verkar på flödet av laddade partiklar. Om nuvarande kunde välja vägen genom materialets tjocklek, skulle det efter en tid återgå till föregående bana. Källans EMF blir den enda verkliga drivkraften. "

Den unga forskaren kom ihåg att linjerna direkt strider mot vissa redan kända fenomen. Av den enkla anledningen att kraften som verkar på en tråd med en ström beror på flödeshastigheten för laddningarna. I motsats härtill förvärvar formen och konfigurationen av materialet ett litet värde. I sin tur förklaras samspelet mellan avgifterna av deras storlek och tecken, vilket har varit känt sedan Charles Coulombs dagar.

Efter Maxwells skrifter kommer Edwins anteckning om unipolär induktion( Annales de Chemie et de Physique, januari 1879) över Edwin Halls ögon. Texten visade det faktum att magneten verkar på en fast ledare med en ström av liknande kraft, som om den var fritt suspenderad. Hall vidarebefordrade frågan till professor Rowland och mottog som svar ett meddelande om anställning av en forskar man för tillfället. Edwin hade till sitt förfogande en tanke värdig en gåta. Tillsammans med professor Hall utvecklade han en metodik för experimentet:

Om strömmen inte upprätthåller en konstant rörelseväg längs ledningen under verkan av ett magnetfält blir belastningsdensiteten till ena sidan högre. Vilket ökar resistansen hos ledaren. Därför är det fortfarande att använda Ohms lag att testa hypotesen.

En platt trådhelikix( ca halv millimeter i diameter) nickelsilver( som liknar en Tesla-spole) med en total resistans på 2 ohm, som är sandwichad mellan två tjocka gummitrådar, valdes för att genomföra experimentet. Ark bestämde sig för att placera mellan de två polerna av en magnet på ett stort område. Så att linjerna i fältstyrkan vid varje punkt är vinkelräta mot strömflödet. Elektromagneten drivs av 20 Bunsen-element kopplade i 4 på varandra följande kedjor med 5 grenar. Den resulterande intensiteten översteg tiotusentals gånger den horisontella delen av jordens magnetfält.

En mätning av Whitston Bridge användes som sensor, vars diagonala innefattade en galvanometer av Lord Kelvins design. Den tekniska lösningen enligt preliminära data registrerade förändringen i motståndet hos spiralen i en miljonedel av det totala värdet. Från 7 till 11 oktober gjorde Edwin Hall 13 experiment, var och en bestående av 40 mätningar:

1. -resistansmätning med magneten på.
2. På samma sätt som magneten stängdes av.
3. P. 1 med en förändring i polariteten av linjerna i magnetfältet.
4. Upprepar punkt 2.

Mätningar har visat att magnetfältet kan minska och öka motståndet. Den maximala ökningen var femtonhundraedelar, medelvärdet på grundval av experimenten visade sig vara mycket mindre( fem ppm).Det blev klart att de vidtagna åtgärderna inte var tillräckliga för att göra vissa uttalanden. Det är uppenbart att strömmen knappast är känd som inkomprimerbar substans, som man trodde tidigare. Det var nödvändigt att förstå varför resultaten av de första experimenten är så olika i betydelsen och riktningen av förändring i motståndet.

Den första Hall-sensorn

Den första Hall-sensorn designades av professor Rowland. I samma form som enheten används idag. Att se att Edwins experiment( och hans eget) inte leder till resultatet föreslog föreläsaren en gammal modell av experimentet som gjorts under åren( Hall-sensorns design beskrivs):

1. En ledande skiva( eller en platta av annan form) slås på i den elektriska kretsen.
2. Med hjälp av en galvanometer finns två equipotentialpunkter på sidorna av figuren.
3. Elektromagneten är påslagen, vars fältstyrka är i ett plan vinkelrätt mot skivan.
4. Antecknar ändringar i mätvärdena på galvanometern.

. Det var tänkt att upptäcka tecken på förändring när nuvarande flödesförhållanden förändras. Experimentet använde Hall sensorn i den aktuella prestandan, men erfarenheten misslyckades. Man tror att för mycket tjocklek på skivan är skyldig. Professorn förde detta till Edwins uppmärksamhet och uttryckte uppfattningen att situationen är repairable om vi använder en tunn guldplåt monterad på en glasbas( för att förhindra att metallet deformerar fältet).Erfarenheten av den 28 oktober, som var helt framgångsrik, kunde fixa en stabil avböjning av galvanometerns nål under verkan av ett magnetfält på en platta med en ström.

Och även om rörelsen visade sig vara permanent, försvann den snabbt, det var omöjligt att tillskriva detta på magnetisk induktion( från Faradays experiment).Snabbt uteslutet det fel som infördes inom området elektromagnetiska solenoider. Vid horisonten är det klart överväldigande upptäckt. Det är anmärkningsvärt att effekten var inverterad då magnetens polaritet förändrades. För att fastställa det kvantitativa beroendet var anordningen något förbättrad:

• Stark kontakt med kraftkällan var försedd på varje sida med mässingsplattor, välpolerad och försiktigt lödd till guld( 9x2 cm).
• En ren metall kvarstod i mitten: en region på 5,5 cm i längd och över hela bredden. Här passerade linjerna av magnetfält genom guld.
• Thomsons högresistenta galvanometerkontakter närmade sig kanterna som ligger jämnt från mässingsplattorna.

Under experimentet mättes magnetfältet på solenoiderna, strömmarna genom plattan och galvanometern. Resultatet registrerades i form av ett bord som presenteras i figuren, vilket visar att Edwin Hall lyckades få de första mönstren. Det hände den 12 november 1879.Även om uttrycket till höger har värden som skiljer sig åt med 8%, är det uppenbart att orden av siffrorna är densamma. Och vi kommer att avskriva avvikelserna på fel av experter och utrustning.

Exakta värden är inte alltid viktiga. Idag används Hall-sensorer aktivt som indikatorer på frånvaron eller närvaron av ett magnetfält. Till exempel i tangentbord eller motorer av tvättmaskiner.

Tillämpning av Hall Effect i Practice

Redan sa( se Hall sensorer) att Hall Effects första industriella tillämpningar kom till liv under andra hälften av 20-talet. Idag ligger drygt hälften av segmentandelarna inom bilindustrin. Mer exakt kommer avancerad teknik på andra områden därifrån. Till exempel ASIC och ASSP moduler. Ledande roll för det tionde året av det 21: e århundradet tillhör Asahi Kasei Microsystems( AKM), som levererar kompasser för mobila enheter baserade på Hall-effekten. Bland de industriella jättarna märker vi Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Bland de magnetfältgivare som är baserade på Hall-effekten upptar en hedersandel på 87%.

Ofta ingår sensorn i chipet. Den historiska förfader är CMOS-serien. På grundval av detta släpptes sensorer integrerade i kristallen för att mäta vinkeln på gas-, styr-, distributions- och vevaxelns rotationshastigheter. Tekniken är av stor betydelse vid drift av ventilmotorer, där lindningarna måste sättas in på ett visst sätt i enlighet med rotorns vinkelposition. Mätningen av fältets storlek involverade de senaste 3D-sensorerna som bestämmer vinkel och linjär position hos magnetsystemet. Tidigare var det helt enkelt fakta om närvaro eller frånvaro av ett objekt i sikte. Detta är nödvändigt för framgångsrik konkurrens med magnetoresistiv teknik.

Idag anses programmerbara konstruktioner vara det senaste modet, där olika funktioner skrivs in med hjälp av kod. Sensorer kan användas på olika sätt. Till exempel, enligt det ömsesidiga läget för det känsliga området och magneten finns det lägen:

1. Frontal. I detta fall är magneten direkt motsatt sensorn, flyttar sig bort från den eller närmar sig i en rak linje. Fältet beror kvadratiskt på avståndet och lagen på utsignalen från avståndet liknar en hyperbola. Detta läge kallas unipolärt, spänning kan inte ändra riktning.
2. Slip. I det här fallet finns ett mellanrum mellan den känsliga dynan och magneten. Denna koordinat förblir oförändrad. En magnet kan glida parallellt med sensorn på samma axel. I detta fall ändras inte fältet, och beroende av utsignalen på koordinaten ligger nära den gaussiska fördelningen. Spänningsriktningen förändras inte, därför kallas läget också unipolärt.
3. Bipolär Glid. Ibland är det nödvändigt att ta reda på i vilken riktning magneten har avböjt. Och bestäm inte bara avståndet. I detta fall används magneten hästsko. Följaktligen ger polerna svar av olika polariteter. Vad gav regimens namn.

Dessa lägen används periodiskt i kombination. Till exempel, när du behöver positionera magneten korrekt i förhållande till sensorerna( med hjälp av manöverdon) ökar utrustningens känslighet med en brant karaktär av beroende av utsignalen på koordinaterna. Trebandsmagneter med växlande poler används. De extrema nedgångarna i grafen är milda, och den centrala toppen är uttalad. Vad uppnås korrekt positionering av systemet.

För att stärka spänningsspåren, vilket ger en tydligt definierad riktning, används polspetsar. Dessa är bitar av metall från mjuka ferromagnetiska legeringar. När magneten närmar sig börjar linjerna sträva mot platsen och bildar ett gap där de förblir raka. Om du placerar Hall-sensorn där ökar systemets känslighet avsevärt. I samma syfte används biasmagneter, vilka förblir på plats och inte orsakar oberoende aktivering. När den rörliga delen närmar sig, ökar magnetfältets densitet kraftigt. Detta förenklar utlösningen och minskar känslighetskänslighetskraven.

Lägg till att strukturen hos utsignalsensorerna är analog och digital. I sistnämnda fall mates systemet enkelt med automatisering, och den uppmätta signalen förlorar inte längre noggrannhet, som överförs för bearbetning.