Эффект холла и его применение. Эффекта холла принцип работы, объяснение теории, формула Постулат лоренца эффект холла

Если в магнитном поле с определенной индукцией разместить электронный полупроводник или проводник, по проводнику пустить электрический ток определенной плотности, то на электроны, которые передвигаются с конкретной скоростью в магнитных полях, будет действовать сила Лоренца, отклоняя их в определенную сторону.

Магнетосопротивление

Эдвин Холл проводил исследования в надежде обнаружить повышение сопротивления проводника в магнитных полях, но в слабом поле не зарегистрировал его.

Магнетосопротивление не следует из теории металлов Друде. Однако при более строгом расчёте и в сильном поле магнетосопротивление достаточно хорошо проявляется.

Квантовый эффект Холла

В сильном магнитном поле в плоских проводниках (то есть в квазидвумерных электронных газах) в системе начинает сказываться квантовый эффект, что приводит к проявлению квантового эффект Холла — квантованию холловского сопротивления.

В сильном магнитном поле появляется дробный квантовый эффект Холла, с которым связана кардинальная перестройка внутренней структуры двумерных электронных жидкостей.

Аномальный эффект Холла

Пример возникновения напряжения в образцах, перпендикулярного направлению пропускаемых токов через образец, наблюдающегося в отсутствие приложенных постоянных магнитных полей. Явление полностью совпадает с эффектом Холла, но наблюдается без внешних постоянных магнитных полей.

Для наблюдения аномального эффекта необходимо нарушение инвариантности в отношении обращения времени в системе. Аномальный эффект Холла нередко наблюдаться в образце с намагниченностью.

Спиновый эффект Холла

В случаях отсутствия магнитных полей в немагнитном проводнике могут наблюдаться отклонения носителя тока в разные стороны с противоположным направлением спинов перпендикулярно электрическим полям.

Подобное явление получило определение спинового эффекта Холла, было предсказано теоретически Перелем и Дьяконовым в 1971 году. Говорят о внешних и внутренних спиновых эффектах. Внешние связаны со спин-зависимым рассеянием, а внутренние - со спин-орбитальным взаимодействием.

Применение

Датчики Холла используются для измерения силы постоянного тока в проводниках.

Эффект Холла допускает определение концентрации и подвижности носителей зарядов, а в некоторых случаях и типы носителей зарядов (дырки или электроны) в металлах или полупроводниках, что делает его хорошим методом изучения свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работает датчик Холла — прибор, измеряющий напряжённость магнитных полей. карту сайта, буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Читатель здесь найдет информацию об эффекте Холла - физическом явлении, часто используемом человеком в различных сферах его деятельности. Будут рассмотрены различные аспекты этого явления, основные его характеристики и свойства, значение и места, где этот эффект задействуется.

Явление эффекта Холла

Эффект Холла - это появление разности в потенциалах поперечного характера в случае помещения проводника постоянного тока в магнитное поле (м. п.). Открытие было совершено Э. Холлом в 1879 г. в результате работ с золотыми пластинками маленькой толщины. Данный эффект служит способом проявления одной из составных частей магнитных сил Лоренца.

Обозрение процессов

Рассмотрим эффект Холла с точки зрения протекания процессов в определенном проводнике на простейшем примере. Допустим, имеется брусок, который проводит электрический ток и при этом находится в м. п. со слабым потенциалом и под векторным напряжением электрического поля E. Находясь в таких условиях, носитель заряда (н. з.) будет отклоняться от м. п. в сторону одной из граней бруска либо противоположно по отношению к электрическому полю, либо вдоль от движения самого носителя. Показатель критерия малости в данном случае будет служить необходимостью, при которой н. з. не начинает движение по трансцендентной кривой плоскости.

В результате данного протекания процесса, сила Лоренца создаст условия, вызывающие накопление зарядов с отрицательным показателем, около одной грани бруска, а в противовес на другой грани будет накапливаться положительный заряд. Будет происходить накопление заряда до тех пор, пока образовавшееся поле не сможет компенсировать магнитный компонент составной силы Лоренца. Величина электронной скорости выражается при помощи плотности тока. R H , который в данном случае равен и пропорционален E 1 и jB. Подобное явление называют константой Холла, или его коэффициентом.

Такое приближение носит знак постоянной Холла и зависит от н. з. Это дает возможность определять их тип для большого количества металлов. Например, определенные металлы в поле с высокими показателями силы носят положительный знак R H , а объяснение этому дают квантовая и полуклассическая теория твердых тел.

Аномалия

Аномальный эффект Холла - один из составных компонентов этого физического явления. Событие представляется в проявлении перпендикулярного напряжения в проводнике, через который пропускают определенный ток. Весь процесс проходит при отсутствии прилагающийся постоянной величины м. п. Иными словами, это физическое событие, аналогичное эффекту Холла, с разницей в том, что эффект наблюдаем при отсутствии внешнего м. п. с постоянным показателем.

Главным условием, без которого невозможно созерцание данного явления, аномалии эффекта Холла, является несоблюдение инвариантности, относящейся к времени обращенного типа, находящегося в системе. Пример такой аномалии можно отслеживать в образцах, подвергшихся намагничиванию.

В чем суть квантового эффекта?

Квантовый эффект Холла - это процесс, в результате которого квантуется сопротивление Холла или двумерная электронная проводимость газа в условиях низких температур и сильном м. п. В 1980 Клаус фон Клитцинг, Г. Дорда и М. Пеппер открыли этот эффект, за что позже были награждены Нобелевской премией.

Квантовый эффект начинает сказываться в проводниках плоского типа. Находясь в сильном м. п. (электронном квазидумерном газе), они приводят к появлению вышеупомянутого холловского сопротивления.

Существует дробный квантовый э-т Холла, связанный с перестройкой кардинального характера структур внутреннего строения электронной двумерной жидкости. Такой процесс возможен в условиях наличия м. п. еще большей силы.

Изменение электронного сопротивления

Магнетосопротивление - это проявление изменений в электронном сопротивлении различных материалов, находящихся в магнитном поле. В целом, это любые изменения тока, пропускаемого через образцы в условиях приложенного напряжения и изменений магнитного поля. Каждое вещество обладает каким-либо магнетосопротивлением. В проводниках, способных проводить ток без сопротивления, существует понятие критического магнитного поля, которое нарушает течение эффекта и заставляет вещества принимать стандартное состояние, в котором сопротивление вновь будет наблюдаться. Нормальные металлы этот эффект выражают слабее. Полупроводники, в свою очередь, могут изменять свое относительное сопротивление в сто и даже десять тысяч раз больше, чем в каком-либо металле.

Эдвином Холлом проводилось множество экспериментов, направленных на поиск возрастания показателей сопротивления проводника, все также использовалось м. п., однако более слабое. Эффект не зарегистрировали. Такое явление не соответствует следствию из теории металлов, но дотошные и точные расчеты в условиях поля показывают довольно хорошо их магнетосопротивление.

Отклонение тока в спиновом эффекте

Эффект Холла содержит в себе еще одно физическое явление, а именно спиновой эффект Холла, который предсказали Дьяконов на пару с Перелем, еще в 1971 г. По сути, это случай, когда носители тока, имеющие противоположное направление спинов, отклоняются в разные стороны, лежащие по отношению к полю перпендикулярно. Необходимым условием служит отсутствие в немагнитном проводнике магнитного поля. Выделяют внешний (связанный с рассеиванием спин-зависимого характера) и внутренний (связанный с взаимодействием спин-орбитального типа) спиновой э-т.

Области применения

Свое применение э-т Холла находит во множестве сфер человеческой деятельности, например, он дает возможность определять показатель подвижности и концентрации н. з., а иногда и самого типа носителя заряда. Эффект Холла в полупроводниках и металлах считается отличным способом исследования полупроводниковых свойств, что объясняется вышеуказанной способностью к определению различных характеристик носителей заряда.

Датчик Холла - прибор, работающий на основе этого эффекта. Он измеряет такую характеристику м. п., как напряженность. Такие датчики находят свое применение в двигателях вентильного, бесколлекторного характера, а также в электродвигателях. Их функция заключается в реализации обратной связи по отношению к положению ротора, а их функция аналогична функции коллекторного ДПТ. Такие приборы часто называют датчиком положения ротора.

Места применения:

Система электронного зажигания в двигателях с внутренним типом сгорания.
Вентиляторы компьютеров и приборов, им аналогичных, а также дисководные приводы.
Электронные компасы смартфонов в качестве исполнителя физической работы имеют именно такие датчики, находящиеся в магнитометре.
Приборы, направленные на измерение бесконтактной силы тока, также используют датчик Холла.
Двигатели ракет ионного типа работают на основе э-та Холла.

Итоги

Эффект Холла находит свое применение в самых разнообразных областях промышленности и является довольно важным открытием, необходимым для функционирования множества современных приборов, без которых сейчас невозможно обойтись. А также этот эффект содержит много составных компонентов в виде квантового э-та Холла или его аномалии, спинового э-та и магнетосопротивления. По существу он базируется на разности, возникающей в потенциалах, находящихся в поперечном положении и подвергающихся воздействию тока с постоянной величиной на проводник в сильном м. п.

Электрический ток при его протекании через металл в присутствии магнитного поля производит электрическое напряжение, перпендикулярное направлению и самого тока, и силовых линий магнитного поля.

При движении электрического заряда в магнитном поле на него воздействует отклоняющая сила. Именно на этом принципе основана работа таких экспериментальных установок, как синхрофазотрон, широко использующихся в исследованиях в области физики элементарных частиц: в них заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную (в форме бублика) магнитную ловушку и летают по кругу внутри неё. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи — в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.

Представьте, что на столе перед вами лежит кусок проводящей проволоки, а магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости крышки стола. Если по проволоке пропустить ток, магнитное поле заставит заряды внутри провода отклоняться в одну сторону (вправо или влево от направления тока, в зависимости от ориентации магнитного поля и полярности зарядов). Смещаясь от направления прямолинейного движения внутри проводника, заряды будут скапливаться в приграничной зоне, пока силы взаимного электростатического отталкивания между ними, возникающие в силу закона Кулона , не уравновесят отклоняющую силу воздействия магнитного поля на ток. После этого ток снова потечёт прямолинейно, однако на проводнике возникнет разность электрических потенциалов в плоскости, перпендикулярной как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитного поля, вызванная перераспределением электрических зарядов в плоскости сечения проводника, а величина этой разности потенциалов будет пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.

Первым поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля, по вышеописанной схеме измерил в 1879 году Эдвин Холл. Он осознал, что направление вектора напряжения будет зависеть от того, какие заряды — отрицательные или положительные — являются носителем тока. И, в результате проведённых опытов, Холл первым в мире наглядно продемонстрировал, что электрический ток в металлах создаётся направленным движением отрицательно заряженных электронов. А до этого опыта учёные сомневались и относительно полярности зарядов-носителей тока, и относительно того, воздействует ли магнитное поле на заряженные частицы внутри проводника или на саму неподвижную структуру проводника.

Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klitzing, р. 1943) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что и был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике.

Edwin Herbert Hall, 1855-1938

Американский физик. Родился в г. Грейт-Фолз (ныне Горем), штат Мэн. Поступил в первый набор на физический факультет только что открытого Университета Джонса Гопкинса в Балтиморе — первого американского научно-исследовательского и учебно-образовательного учреждения, смоделированного по образцу немецких научно-исследовательских заведений. Эффект, названный впоследствии его именем, Холл открыл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму. Защитив ее, ученый перешел в Гарвардский университет, где затем прославился инновациями в области преподавания физики в высшей и особенно средней школе.

Принцип эффекта Холла — одна из самых популярных теорий измерения . В этом посте будут обсуждаться Эффект Холла, принцип его работы, объяснение теории, формула, применение, включая расчеты для напряжения Холла, коэффициента Холла, концентрации носителей заряда, подвижности Холла и плотности магнитного поля.

Принцип эффекта Холла объясняет поведение носителей заряда при воздействии и магнитного полей. Этот принцип можно рассматривать как расширение , которая является силой, действующей на носители (электроны и отверстия), проходящие через магнитное поле.

Датчики, работающие по этому принципу, называются датчиками Холла. Эти датчики Холла пользуются большим спросом и имеют очень широкое применение, например, датчики приближения, переключатели, датчики скорости вращения колес, датчики положения и так далее.

История эффекта Холла

Принцип эффекта Холла был назван в честь американского физика Эдвина Холла (1855–1938). Впервые он был представлен миру в 1879 году.

В 1879 году он обнаружил, что когда проводник / полупроводник с током расположен перпендикулярно магнитному полю, генерируется напряжение, которое можно измерить под прямым углом к пути тока. В течение этого времени электрический ток в проводе считался чем-то похожим на текущую жидкость в трубе.

Принцип эффекта Холла предполагает, что магнитная сила в токе приводит к скученности на конце трубы или (провода). Электромагнитный принцип теперь объясняет науку, лежащую в основе эффекта Холла, гораздо лучше. Теория этого зала, безусловно, намного опередила свое время. Лишь два десятилетия спустя, с введением полупроводников, работа и использование эффекта Холла были эффективно использованы.

Первоначально этот принцип использовался для классификации химических образцов. Позднее датчики Холла (с использованием полупроводниковых соединений арсенида индия) стали источником для измерения постоянного или статического магнитного поля, не поддерживая датчик в движении. После десятилетия в 1960-х годах появились кремниевые полупроводники. Это было время, когда элементы Холла были объединены со встроенными усилителями, и таким образом, выключатель Холла был представлен миру.

Принцип работы эффекта Холла

Принцип эффекта Холла гласит, что когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю, напряжение может быть измерено под прямым углом к пути тока.

Эффект получения измеримого напряжения, как сказано выше, называется эффектом Холла.

Теория за принципом эффекта Холла

Прежде всего, мы должны понять, что такое электрический ток. Электрический ток — это в основном поток заряженных частиц через проводящий путь. Эти заряженные частицы могут быть «отрицательно заряженными электронами» или даже «положительно заряженными отверстиями» (пустоты, в которых должны находиться электроны). Теперь давайте перейдем к теме.

Если мы возьмем тонкую проводящую пластину (как показано выше на рис. 1 и повторено ниже для простоты считывания) и подключим ее к цепи с батареей (источником напряжения), то ток начнет течь по ней. Носители заряда будут течь по прямой линии от одного конца пластины к другому концу.

Поскольку носители заряда находятся в движении, они будут создавать магнитное поле. Теперь, когда вы поместите магнит рядом с пластиной, его магнитное поле будет искажать магнитное поле носителей заряда. Это расстроит прямой поток носителей заряда. Сила, которая нарушает направление потока носителей заряда, называется силой Лоренца.

Из-за искажения в магнитном поле носителей заряда отрицательные заряженные электроны будут отклоняться на одну сторону пластины, а положительные заряженные дыры — на другую сторону. Вот почему разность потенциалов (также называемая напряжением Холла) будет генерироваться между обеими сторонами пластины, что можно измерить с помощью измерителя.

Этот эффект известен как эффект Холла. Чем сильнее магнитное поле, тем больше электронов будет отклоняться. Это означает, что чем выше ток, тем больше электронов будет отклоняться. И чем больше будут отклоняться электроны, тем больше будет разность потенциалов между обеими сторонами пластины. Поэтому мы можем сказать, что:

Напряжение Холла прямо пропорционально электрическому току, и прямо пропорционально приложенному магнитному полю.

Формула эффекта Холла

Вот некоторые математические выражения, которые широко используются в вычислениях эффекта Холла:

Напряжение Холла

Напряжение Холла представлена V H . Формула для напряжения Холла:

I — Ток, протекающий через датчик

B — напряженность магнитного поля

q — заряд

n — количество носителей заряда на единицу объема

d — толщина датчика

Коэффициент Холла

Оно представлено R H . Формула для коэффициента Холла (R H) равно 1 / (qn) . Коэффициент Холла (R H) положителен, если число отверстий положительного заряда больше, чем число электронов отрицательного заряда. Аналогично, коэффициент Холла (RH) отрицателен, если число отрицательных зарядовых электронов больше, чем число отверстий положительного заряда.

Концентрация несущей заряда

Концентрация электронов в носителе заряда обозначена как «n», а «дырки» — как «p». Математическое выражение для концентрации носителей заряда:

Холловская мобильности

Холловская мобильность для электронов представлена как « μ n », а для отверстий — как « μ p ». Математическое выражение для мобильности Холла:

μ n — проводимость за счет электронов

μ p — проводимость благодаря отверстиям

Плотность магнитного потока

Плотность магнитного потока обозначена буквой «B». Формула для плотности магнитного потока:

Применение принципа эффекта Холла

Принцип эффекта Холла используется в:

Оборудование для измерения магнитного поля.
Множитель приложений для обеспечения фактического умножения.
Тестер Эффекта Холла для измерения постоянного тока.
Измерение фазового угла. Например — при измерении углового положения коленчатого вала, чтобы точно выровнять угол зажигания свечей зажигания
Датчики линейных или угловых перемещений. Например — определить положение автомобильных сидений и ремней безопасности и выступить в роли блокировки для управления подушкой безопасности.
Датчики приближения.
Датчики с эффектом Холла
Для определения скорости вращения колеса и, соответственно, помощи антиблокировочной тормозной системы (ABS).

Как эффект Холла можно использовать для определения типа используемого полупроводника?

Коэффициент Холла говорит обо всем. Если коэффициент Холла отрицателен, это означает, что основными носителями заряда являются электроны. И поскольку число электронов больше по сравнению с отверстиями в полупроводниках n-типа, это ясно указывает на то, что испытываемый полупроводник n-типа. Аналогичным образом, если коэффициент Холла положительный, это означает, что основными носителями заряда являются дырки. И поскольку число отверстий больше по сравнению с электронами в полупроводниках p-типа, это ясно указывает на то, что испытываемый полупроводник p-типа.

Американский физик Эдвин Герберт Холл занимался изучением свойств магнитных полей и в 1879 году в результате экспериментов с магнитными потоками и золотыми пластинами столкнулся с ранее неизученным электротехническим эффектом разности электрических потенциалов, который и был назван в его честь – эффект Холла. Лишь через сотню лет это наблюдение нашло свое технологическое применение в сфере электротехники и электроники.

Происхождение эффекта Холла, виды его проявления

Описываемый эффект основывается на силе Лоренца (и выступает как бы его продолжением), характеризующей направления передвижения заряженных частиц-электронов, помещенных в магнитное поле. Американским ученым было доказано, что в случае, если электроны двигаются в перпендикулярном направлении к генерируемому магнитному полю, заряженная частица испытывает давление, перпендикулярное направлению движения.

Электромагнитная сила, открытая Лоренцем, воздействует на движущиеся заряженные частицы таким образом, что между границами токопроводящего объекта возникает некое напряжение, называемое разностью потенциалов.

Направление Лоренцовой силы, согласно «правилу правой руки», учитывает направление протекания электронов. Так, если поток идет вправо, то сила Лоренца действует по направлению вверх. Если же заряженные частицы текут в левую сторону, эта сила показывает вниз, и негативный заряд собирается на этой стороне проводящего агента.

Дополнительная информация. Для физических опытов в электромагнитных исследованиях, как правило, берется полупроводник из арсенида или антимонида индия. В результате такого разнонаправленного движения и появляется разность зарядов: положительного наверху и отрицательного внизу. Этот эффект назван напряжением (ЭДС) Холла.

Напряжение Холла определяется по особой формуле, расчет которой включает такие переменные, как:

величина протекающего через полупроводниковую пластину тока (обозначается литерой «I»);
величина магнитной индукции (обозначается литерой «В»);
направленности (положительной или отрицательной) заряженных частиц (буква «е» в формуле);
концентрации носителей тока (буква «n»);
удельного числа электронов на единицу площади (литера «р»);
размера проводниковой пластинки в поперечнике (кодируется литерой «t»).

При этом получающееся соотношение 1/n*e для одинаковых полупроводниковых материалов, нагретых до одинаковой температуры, всегда одно и то же, оно названо «постоянная Холла». Для полупроводников дырочного типа коэффициент Холла носит положительное значение, а для электронного типа – отрицательное.

Как можно использовать эффект Холла

Обычный эффект Холла производит очень маленькие напряжения по сравнению с посторонними шумами, разбросом температур и смещением полей, поэтому использование его для датчиков было нецелесообразно. Однако, с появлением в электронике полупроводников, которые позволили появиться компонентам с повышенной интегрированностью, стало возможным использование и данного эффекта, правда с дополнительной схемой по усилению напряжения.

С помощью эффекта Холла ученые-физики продолжают изучать свойства полупроводниковых материалов. Например, определяется количество электронов на единицу объема, скорость их движения, можно отделять электроны от положительных квазичастиц.

Электромагнитное явление, описанное Холлом, на практике применяется в самых разных датчиках для контроля за такими показателями магнитного поля, как положение, скорость и напряженность. Эти приборы незаменимы при конструировании моторов, имеющих следящие приводы, там они выполняют функции датчиков обратной связи, с их помощью определяется градус поворота моторной вала.

Все датчики, сконструированные с применением эффекта Холла, имеют разные характеристики, свои положительные и отрицательные стороны. В целом, они вполне могут конкурировать с приборами на основе другого популярного способа контроля за магнитными полями – вставления потенциометров в электроцепь и определения скачка напряжения вниз дифференциальным усилителем.

Достоинства и недостатки датчиков Холла

Главным плюсом датчиков Холла является отличная электрическая изоляция между путем протекания электричества и цепью измерения (в проектировании схем она носит название гальванической развязки). Ее принцип незаменим в тех случаях, когда для проекта необходима связь электросхем, полностью исключающая обмен электрическим током между ними. Такие приборы не оказывают влияния на предмет измерения, поскольку не оказывается сколько-нибудь существенного сопротивления, поэтому электромагнитные показатели схемы остаются такими же, как до включения датчика Холла в цепь.

Пример использования . Оцифрованный сигнал необходимо передать с помощью оптоизолятора, поскольку в нем импульсы напряжения перекладываются в световые, и передача происходит с помощью оптики, а не электрики. Гальваническая развязка с использованием эффекта Холла помогает не допустить проблемы, которые вызывают контуры заземления. Если приходится измерять токи большого напряжения, то с помощью датчиков Холла рассеивается самая малая мощность.

Также приборы Холла демонстрируют довольно высокую точность измерений, минимальный процент ошибок стремится к единице.

Обратите внимание! В отдельных случаях датчики с резисторами дают даже лучшие показатели (ниже одного процента), однако и более высокий процент ошибок допустим при исследованиях больших напряжений, где обычно и применяют датчики Холла.

У приборов с использованием описываемого эффекта есть и зарегистрированные недостатки. Среди них можно выделить то, что все они работают лишь с весьма ограниченным разбросом частот и стоят достаточно дорого. Так, «АСиЭс-712» может применяться на частотах до 80 килогерц, а широкополосный «Мелексис МЛХ-91-208» – максимум до 250 килогерц, тогда как обычный резистивный датчик, имеющий высокоскоростное усиление, справляется с частотами в мегагерцовом интервале.

Синфазное напряжение

Датчики Холла нашли свое применение и в определении показателей тока при работах с высоким напряжением. Обычный усилитель измеряет разность между возникающим напряжением с обеих сторон резистора. Однако, они работают в весьма небольшом разбросе синфазности, т.е. такой прибор не будет работать правильно, потому что входные напряжения почти одинаковы, а разность между ними и напряжением земли очень большая. Диапазон таких напряжений для токизмерительных усилителей составляет от 80 до 100 ватт. А вот датчики Холла преобразовывают электроток в его напряжения, не связываясь с заземлением. Значит, при малом напряжении (физическое повреждение не наступает) напряжение синфазности не мешает датчикам Холла выполнять свои измерения.

Что такое эффект Холла, стало известно более 150 лет назад, однако применять его стали относительно недавно – в электротехнике в интегральных микросхемах датчиков Холла, обеспечивающих хорошую электроизоляцию, и даже в современных смартфонах (на основе этого эффекта работают электронные компасы).