אפקט הול שלילי וחיובי אדיבטי

בחוט נושא זרם המונח בשדה מגנטי, מושרה מתח בכיוון המאונך לכיווני הזרם החשמלי והשדה המגנטי. התופעה של הופעת מתח כזה נקראת אפקט הול, והמתח המושרה עצמו נקרא מתח הול.

בשנת 1879, הפיזיקאי האמריקני אדווין הול (1855-1938), בזמן שעבד על עבודת הדוקטורט שלו, גילה השפעה מעניינת. הוא לקח לוח זהב דק הנושא זרם ישר והניח אותו בשדה מגנטי בניצב למישור הלוח. במקרה זה, שדה חשמלי נוסף הופיע בין קצוות הצלחת. מאוחר יותר נקראה תופעה זו על שם המגלה. אפקט הול מצא יישום נרחב: הוא משמש למדידת אינדוקציה של שדה מגנטי (חיישני הול), כמו גם ללימוד התכונות הפיזיקליות של חומרים מוליכים (באמצעות אפקט הול, ניתן לחשב את ריכוז נושאי הזרם ו הסימן שלהם).

מודול חיישן אפקט זרם הול ​​ACS712 5A

ישנם שני סוגים של נושאי זרם חשמלי - נושאים חיוביים הנעים בכיוון אחד ונושאים שליליים הנעים בכיוון ההפוך.

נשאים שליליים הנעים בכיוון מסוים דרך שדה מגנטי חווים כוח שנוטה להסיט את תנועתם מנתיב ישר. נשאים חיוביים הנעים בכיוון ההפוך דרך אותו שדה מגנטי מוטטים באותו כיוון כמו נשאים שליליים.

כתוצאה מסטייה כזו של כל נושאי הזרם בהשפעת כוחות לורנץ לאותו צד של המוליך, נוצר שיפוע אוכלוסיית נושאים, ובצד אחד של המוליך מספר המובילים ליחידת נפח יהיה גדול מ- מנגד.

האיור שלהלן ממחיש את התוצאה הכוללת של תהליך זה כאשר יש מספר שווה של נשאים משני סוגים.

כאן, הגרדיאנטים הפוטנציאליים שנוצרים על ידי נשאים משני סוגים מכוונים זה נגד זה, כך שלא ניתן לזהות את השפעתם כאשר צופים מבחוץ. אם נשאים מסוג אחד רבים יותר מנשאים מסוג אחר, אז שיפוע אוכלוסיית הנשאים מייצר פוטנציאל שיפוע הול, וכתוצאה מכך ניתן לזהות את מתח ההול המופעל על החוט.

אפקט הול שלילי אדיבטי. אם רק האלקטרונים הם נושאי מטען, אז שיפוע הטמפרטורה ושיפוע הפוטנציאל החשמלי מצביעים בכיוונים מנוגדים.

אפקט האולם האדיאבטי. אם רק החורים הם נושאי מטען, אז שיפוע הטמפרטורה ושיפוע הפוטנציאל החשמלי מצביעים לאותו כיוון

אם הזרם דרך החוט בהשפעת מתח ההול בלתי אפשרי, אז בין על ידי כוחות לורנץ ודרך האולם נוצר שיווי משקל מתח.

במקרה זה, כוחות לורנץ נוטים ליצור שיפוע אוכלוסיית נושאים לאורך החוט, בעוד שמתח ההול נוטה לשחזר חלוקת אוכלוסיה אחידה לאורך נפח החוט.

החוזק (מתח ליחידת עובי) של השדה החשמלי של הול המכוון בניצב לכיווני הזרם d והשדה המגנטי נקבע על ידי הנוסחה הבאה:

Fz = KzVJ,

כאשר K.z - מקדם הול ​​(הסימן והערך המוחלט שלו יכולים להשתנות באופן משמעותי בהתאם לתנאים הספציפיים); B - אינדוקציה מגנטית ו-J היא צפיפות הזרם הזורם במוליך (ערך הזרם ליחידה של שטח החתך של המוליך).

האיור מציג יריעת חומר המוליך זרם חזק i כאשר קצותיו מחוברים לסוללה. אם נמדוד את הפרש הפוטנציאל בין הצדדים הנגדיים, זה ייתן לנו אפס, כפי שמוצג באיור משמאל. המצב משתנה כאשר השדה המגנטי B מופעל בניצב לזרם בגיליון, נראה שהפרש פוטנציאל קטן מאוד V3 מופיע בין הצדדים הנגדיים כפי שמוצג באיור מימין.

המונח "אדיבטי" משמש לתיאור מצבים שבהם אין זרימת חום מבחוץ אל המערכת הנבדקת או ממנה.

ישנן שכבות של חומר בידוד משני צידי החוט למניעת זרימת חום וזרם בכיוון הרוחבי.

מכיוון שמתח ההול תלוי בחלוקה הלא אחידה של הנשאים, ניתן לשמור אותו בתוך הגוף רק אם האנרגיה מסופקת ממקור כלשהו חיצוני לגוף.אנרגיה זו מגיעה משדה חשמלי שיוצר זרם התחלתי בחומר. שני גרדיאנטים פוטנציאליים נוצרים בחומר גלוונומגנטי.

שיפוע הפוטנציאל ההתחלתי מוגדר כצפיפות הזרם הראשונית כפול ההתנגדות של החומר, ושיפוע הפוטנציאל הול מוגדר כצפיפות הזרם הראשונית כפול מקדם הול.

מכיוון ששני הגרדיאנטים הללו מאונכים זה לזה, נוכל לשקול את הסכום הווקטורי שלהם, שכיוונו יסטה בזווית כלשהי מכיוון הזרם המקורי.

זווית זו, שערכה נקבע על פי היחס בין הכוחות של השדה החשמלי המכוון לכיוון הזרם והשדה החשמלי הנוצר בכיוון הזרם, נקראת זווית הול. זה יכול להיות חיובי או שלילי ביחס לכיוון הזרם, תלוי אילו נשאים דומיננטיים - חיוביים או שליליים.

חיישן קירבה לאפקט הול

אפקט הול מבוסס על מנגנון ההשפעה של נשא בעל מליחות דומיננטית, התלוי בתכונות הפיזיקליות הכלליות של החומר המוליך. עבור מתכות ומוליכים למחצה מסוג n, אלקטרונים הם נשאים, עבור מוליכים למחצה מסוג p - חורים.

המטענים נושאי הזרם מוסטים לאותו צד של החוט כמו האלקטרונים. אם לחורים ולאלקטרונים יש אותו ריכוז, הם יוצרים שני מתחי הול מנוגדים. אם הריכוזים שלהם שונים, אז אחד משני מתחי הול אלו שולט וניתן למדוד אותו.

עבור נשאים חיוביים, מתח ההול הנדרש כדי לנטרל סטיות נושא בהשפעת כוחות לורנץ מנוגד למתח המקביל עבור נשאים שליליים. במתכות ובמוליכים למחצה מסוג n, מתח זה עשוי אפילו לשנות סימן כאשר השדה החיצוני או הטמפרטורה משתנים.

חיישן הול הוא מכשיר אלקטרוני שנועד לזהות את אפקט הול ולהמיר את התוצאות שלו לנתונים. נתונים אלה יכולים לשמש להפעלה וכיבוי של מעגלים, ניתן לעבד אותם על ידי מחשב, ויכולים לגרום להשפעות שונות המסופקות על ידי יצרן המכשיר והתוכנה.

בפועל, חיישני הול הם מיקרו-מעגלים פשוטים וזולים המשתמשים בשדות מגנטיים כדי לזהות משתנים כמו התקרבות, מהירות או תזוזה של מערכת מכנית.

חיישני הול אינם מגע, מה שאומר שהם אינם צריכים לבוא במגע עם אלמנטים פיזיים כלשהם. הם יכולים להפיק אות דיגיטלי או אנלוגי, בהתאם לעיצובם ולמטרתם.

ניתן למצוא חיישני אפקט הול בטלפונים סלולריים, מכשירי GPS, מצפנים, כוננים קשיחים, מנועים ללא מברשות, פסי ייצור במפעל, מכוניות, מכשירים רפואיים והרבה גאדג'טים של האינטרנט של הדברים.

יישום אפקט הול: חיישני הול ו מדידת כמויות מגנטיות