Adiabātiskais negatīvais un pozitīvais Hall efekts

Strāvu nesošā vadā, kas novietots magnētiskajā laukā, spriegums tiek inducēts virzienā, kas ir perpendikulārs elektriskās strāvas un magnētiskā lauka virzieniem. Šāda sprieguma parādīšanās parādību sauc par Halla efektu, bet pašu inducēto spriegumu sauc par Hola spriegumu.

1879. gadā amerikāņu fiziķis Edvins Hols (1855-1938), strādājot pie disertācijas, atklāja interesantu efektu. Viņš paņēma plānu zelta plāksni ar līdzstrāvu un ievietoja to magnētiskajā laukā perpendikulāri plāksnes plaknei. Šajā gadījumā starp plāksnes malām parādījās papildu elektriskais lauks. Vēlāk šī parādība tika nosaukta atklājēja vārdā. Halla efekts ir atradis plašu pielietojumu: to izmanto magnētiskā lauka indukcijas mērīšanai (Hall sensori), kā arī vadošu materiālu fizikālo īpašību pētīšanai (izmantojot Hola efektu, var aprēķināt strāvas nesēju koncentrāciju un viņu zīme).

Hallas strāvas efekta sensora modulis ACS712 5A

Ir divu veidu elektriskās strāvas nesēji - pozitīvie nesēji, kas pārvietojas vienā virzienā, un negatīvie, kas pārvietojas pretējā virzienā.

Negatīvie nesēji, kas pārvietojas noteiktā virzienā caur magnētisko lauku, izjūt spēku, kas mēdz novirzīt to kustību no taisna ceļa. Pozitīvie nesēji, kas pārvietojas pretējā virzienā caur to pašu magnētisko lauku, tiek novirzīti tajā pašā virzienā kā negatīvie nesēji.

Šādas visu strāvas nesēju novirzes rezultātā Lorenca spēku ietekmē uz vienu un to pašu vadītāja pusi tiek izveidots nesēju populācijas gradients, un vienā vadītāja pusē nesēju skaits tilpuma vienībā būs lielāks par uz citiem.

Zemāk redzamais attēls parāda šī procesa kopējo rezultātu, ja ir vienāds divu veidu nesēju skaits.

Šeit divu veidu nesēju radītie potenciālie gradienti ir vērsti viens pret otru, lai to ietekmi nevarētu noteikt, novērojot no ārpuses. Ja viena tipa nesēju ir vairāk nekā cita veida nesēju, tad nesēju populācijas gradients ģenerē Hola gradienta potenciālu, kā rezultātā var noteikt vadam pielikto Hola spriegumu.

Adiabātisks negatīvs Hall efekts. Ja tikai elektroni ir lādiņa nesēji, tad temperatūras gradients un elektriskā potenciāla gradients ir vērsti pretējos virzienos.

Adiabātiskais Hall efekts. Ja tikai caurumi ir lādiņnesēji, tad temperatūras gradients un elektriskā potenciāla gradients ir vērsti vienā virzienā

Ja strāva caur vadu Hall sprieguma ietekmē nav iespējama, tad starp ar Lorenca spēkiem un caur Hallu tiek izveidots sprieguma līdzsvars.

Šajā gadījumā Lorenca spēki mēdz radīt nesēja populācijas gradientu gar vadu, savukārt Hola spriegumam ir tendence atjaunot vienmērīgu populācijas sadalījumu visā stieples tilpumā.

Hola elektriskā lauka stiprumu (spriegumu uz biezuma vienību), kas vērsts perpendikulāri d strāvas un magnētiskā lauka virzieniem, nosaka pēc šādas formulas:

Fz = KzVJ,

kur K.z — Hola koeficients (tā zīme un absolūtā vērtība var būtiski atšķirties atkarībā no konkrētajiem apstākļiem); B - magnētiskā indukcija un J ir vadītājā plūstošās strāvas blīvums (strāvas vērtība uz vadītāja šķērsgriezuma laukuma vienību).

Attēlā parādīta materiāla loksne, kas vada spēcīgu strāvu i, kad tās gali ir savienoti ar akumulatoru. Ja mēs izmērām potenciālu starpību starp pretējām pusēm, tas mums dos nulli, kā parādīts attēlā pa kreisi. Situācija mainās, kad magnētiskais lauks B tiek pielietots perpendikulāri strāvai loksnē, mēs redzēsim, ka starp pretējām pusēm parādās ļoti maza potenciālu starpība V3, kā parādīts attēlā pa labi.

Termins "adiabātisks" tiek lietots, lai aprakstītu apstākļus, kuros nav siltuma plūsmas no ārpuses uz aplūkojamo sistēmu vai no tās.

Abās stieples pusēs ir izolācijas materiāla slāņi, lai novērstu siltuma un strāvas plūsmu šķērsvirzienā.

Tā kā Halla spriegums ir atkarīgs no nesēju nevienmērīgā sadalījuma, to var uzturēt ķermeņa iekšienē tikai tad, ja enerģija tiek piegādāta no kāda avota ārpus ķermeņa.Šī enerģija nāk no elektriskā lauka, kas vielā rada sākotnējo strāvu. Galvomagnētiskajā vielā ir izveidoti divi potenciālie gradienti.

Sākotnējais potenciāla gradients tiek definēts kā sākotnējais strāvas blīvums, kas reizināts ar vielas pretestību, un Hola potenciāla gradients tiek definēts kā sākotnējais strāvas blīvums, kas reizināts ar Hola koeficientu.

Tā kā šie divi gradienti ir savstarpēji perpendikulāri, mēs varam uzskatīt to vektoru summu, kuras virziens par kādu leņķi novirzīsies no sākotnējās strāvas virziena.

Šo leņķi, kura vērtību nosaka strāvas virzienā orientētā elektriskā lauka un strāvas virzienā radītā elektriskā lauka spēku attiecība, sauc par Hola leņķi. Tas var būt pozitīvs vai negatīvs attiecībā pret strāvas virzienu atkarībā no tā, kuri nesēji ir dominējošie - pozitīvi vai negatīvi.

Hallas efekta tuvuma sensors

Halla efekts ir balstīts uz nesēja ar dominējošo sāļumu ietekmes mehānismu, kas ir atkarīgs no vadošās vielas vispārējām fizikālajām īpašībām. Metāliem un n-veida pusvadītājiem elektroni ir nesēji, p-tipa pusvadītājiem - caurumi.

Strāvu nesošie lādiņi tiek novirzīti uz to pašu stieples pusi kā elektroni. Ja caurumiem un elektroniem ir vienāda koncentrācija, tie rada divus pretējus Hola spriegumus. Ja to koncentrācija ir atšķirīga, tad dominē viens no šiem diviem Hola spriegumiem un to var izmērīt.

Pozitīviem nesējiem Hola spriegums, kas nepieciešams, lai neitralizētu nesēja novirzes Lorenca spēku ietekmē, ir pretējs atbilstošajam spriegumam negatīvajiem nesējiem. N-veida metālos un pusvadītājos šis spriegums var pat mainīt zīmi, mainoties ārējam laukam vai temperatūrai.

Hall sensors ir elektroniska ierīce, kas paredzēta Hall efekta noteikšanai un tā rezultātu pārvēršanai datos. Šos datus var izmantot, lai ieslēgtu un izslēgtu shēmas, tos var apstrādāt dators, un tie var izraisīt dažādus ierīces ražotāja un programmatūras nodrošinātos efektus.

Praksē Hall sensori ir vienkāršas, lētas mikroshēmas, kas izmanto magnētiskos laukus, lai noteiktu mainīgos lielumus, piemēram, mehāniskās sistēmas pieeju, ātrumu vai pārvietošanos.

Hall sensori ir bezkontakta, kas nozīmē, ka tiem nav jāsaskaras ar fiziskiem elementiem, tie var ģenerēt digitālu vai analogu signālu atkarībā no to konstrukcijas un mērķa.

Hallas efekta sensorus var atrast mobilajos tālruņos, GPS ierīcēs, kompasos, cietajos diskos, bezsuku motoros, rūpnīcas montāžas līnijās, automašīnās, medicīnas ierīcēs un daudzos lietiskā interneta sīkrīkos.

Hallas efekta pielietojums: Zāles sensori un Magnētisko lielumu mērīšana