Adiabaattinen negatiivinen ja positiivinen Hall-efekti

Magneettikenttään asetetussa virtaa kuljettavassa johdossa indusoituu jännite suunnassa, joka on kohtisuorassa sähkövirran ja magneettikentän suuntiin nähden. Tällaisen jännitteen ilmaantumisen ilmiötä kutsutaan Hall-ilmiöksi, ja itse indusoitunutta jännitettä kutsutaan Hall-jännitteeksi.

Vuonna 1879 amerikkalainen fyysikko Edwin Hall (1855-1938) havaitsi väitöskirjaansa työskennellessään mielenkiintoisen vaikutuksen. Hän otti ohuen kultalevyn, jossa oli tasavirta, ja asetti sen magneettikenttään kohtisuoraan levyn tasoon nähden. Tässä tapauksessa ylimääräinen sähkökenttä ilmestyi levyn reunojen väliin. Myöhemmin tämä ilmiö nimettiin löytäjän mukaan. Hall-ilmiö on löytänyt laajan sovelluksen: sitä käytetään magneettikentän induktion mittaamiseen (Hall-anturit) sekä johtavien materiaalien fysikaalisten ominaisuuksien tutkimiseen (Hall-ilmiön avulla voidaan laskea virrankantajien pitoisuudet ja heidän merkkinsä).

Hall-virran vaikutusanturimoduuli ACS712 5A

Sähkövirran kantoaaltoja on kahta tyyppiä - positiivisia kantoaaltoja, jotka liikkuvat yhteen suuntaan ja negatiivisia kantoaaltoja, jotka liikkuvat vastakkaiseen suuntaan.

Negatiiviset kantajat, jotka liikkuvat tiettyyn suuntaan magneettikentän kautta, kokevat voiman, joka pyrkii muuttamaan niiden liikettä suoralta tieltä. Positiiviset kantajat, jotka kulkevat vastakkaiseen suuntaan saman magneettikentän läpi, poikkeutetaan samaan suuntaan kuin negatiiviset kantoaalit.

Kaikkien Lorentzin voimien vaikutuksen alaisten virrankantajien tällaisen poikkeaman seurauksena johtimen samalle puolelle muodostuu kantoaaltopopulaatiogradientti, ja johtimen toisella puolella kantoaaltojen määrä tilavuusyksikköä kohti on suurempi kuin toisaalta.

Alla oleva kuva havainnollistaa tämän prosessin kokonaistulosta, kun kahden tyyppisiä kantoaaltoja on yhtä monta.

Tässä kahden tyyppisten kantajien synnyttämät potentiaaliset gradientit suunnataan toisiaan vastaan, joten niiden vaikutusta ei voida havaita ulkopuolelta tarkasteltuna. Jos yhden tyyppisiä kantoaaltoja on enemmän kuin toisen tyyppisiä kantoaaltoja, niin kantoaaltopopulaatiogradientti synnyttää Hall-gradienttipotentiaalin, jonka seurauksena johtimeen syötetty Hall-jännite voidaan havaita.

Adiabaattinen negatiivinen Hall-efekti. Jos vain elektronit ovat varauksenkantajia, lämpötilagradientti ja sähköpotentiaaligradientti osoittavat vastakkaisiin suuntiin.

Adiabaattinen Hall-efekti. Jos vain reiät ovat varauksenkuljettajia, niin lämpötilagradientti ja sähköpotentiaaligradientti osoittavat samaan suuntaan

Jos virta johdon läpi Hall-jännitteen vaikutuksesta on mahdotonta, niin välillä Lorentzin joukkojen toimesta ja Hallin kautta syntyy jännitetasapaino.

Tässä tapauksessa Lorentzin voimilla on taipumus luoda kantoaaltopopulaatiogradientti johtoa pitkin, kun taas Hall-jännitteellä on taipumus palauttaa tasainen populaatiojakautuma koko langan tilavuuteen.

Hallin sähkökentän voimakkuus (jännite yksikköpaksuusyksikköä kohti), joka on suunnattu kohtisuoraan d-virran ja magneettikentän suuntiin nähden, määritetään seuraavalla kaavalla:

Fz = KzVJ,

jossa K.z – Hall-kerroin (sen etumerkki ja absoluuttinen arvo voivat vaihdella merkittävästi erityisolosuhteiden mukaan); B - magneettinen induktio ja J on johtimessa virtaavan virran tiheys (virran arvo johtimen poikkipinta-alan yksikköä kohti).

Kuvassa on materiaalilevy, joka johtaa voimakasta virtaa i, kun sen päät on kytketty akkuun. Jos mittaamme potentiaalieron vastakkaisten puolien välillä, se antaa meille nollan, kuten vasemmalla olevassa kuvassa näkyy. Tilanne muuttuu, kun magneettikenttä B kohdistetaan kohtisuoraan arkin virtaan nähden, näemme, että vastakkaisten puolien välille syntyy hyvin pieni potentiaaliero V3, kuten oikealla olevassa kuvassa näkyy.

Termiä «adiabaattinen» käytetään kuvaamaan olosuhteita, joissa ei ole lämpövirtaa ulkopuolelta tarkasteltavana olevaan järjestelmään tai siitä pois.

Johdon molemmilla puolilla on kerroksia eristävää materiaalia, joka estää lämmön ja virran kulkeutumisen poikittaissuunnassa.

Koska Hall-jännite riippuu kantajien epätasaisesta jakautumisesta, se voidaan ylläpitää kehon sisällä vain, jos energiaa syötetään jostain kehon ulkopuolisesta lähteestä.Tämä energia tulee sähkökentästä, joka luo alkuvirran aineeseen. Galvanomagneettiseen aineeseen muodostuu kaksi potentiaaligradienttia.

Alkupotentiaaligradientti määritellään alkuperäiseksi virrantiheydeksi kerrottuna aineen resistanssilla, ja Hall-potentiaaligradientti määritellään alkuperäiseksi virrantiheydeksi kerrottuna Hall-kertoimella.

Koska nämä kaksi gradienttia ovat keskenään kohtisuorassa, voimme tarkastella niiden vektorisummaa, jonka suunta poikkeaa jonkin kulman verran alkuperäisen virran suunnasta.

Tätä kulmaa, jonka arvon määrää virran suuntaan suuntautuneen sähkökentän ja virran suuntaan syntyvän sähkökentän voimien suhde, kutsutaan Hall-kulmaksi. Se voi olla positiivinen tai negatiivinen virran suunnan suhteen riippuen siitä, mitkä kantajat ovat hallitsevia - positiivisia vai negatiivisia.

Hall-efektin läheisyysanturi

Hall-ilmiö perustuu vallitsevan suolapitoisuuden omaavan kantajan vaikutusmekanismiin, joka riippuu johtavan aineen yleisistä fysikaalisista ominaisuuksista. Metalleille ja n-tyypin puolijohteille elektronit ovat kantajia, p-tyypin puolijohteissa - reikiä.

Virtaa kuljettavat varaukset taivutetaan samalle puolelle lankaa kuin elektronit. Jos reikien ja elektronien pitoisuus on sama, ne tuottavat kaksi vastakkaista Hall-jännitettä. Jos niiden pitoisuudet ovat erilaiset, toinen näistä kahdesta Hall-jännitteestä on vallitseva ja voidaan mitata.

Positiivisille kantoaaltoille Hall-jännite, joka tarvitaan Lorentzin voimien vaikutuksen alaisen kantoaallon taipuman vastustamiseen, on päinvastainen kuin vastaava negatiivisten kantoaaltojen jännite. N-tyypin metalleissa ja puolijohteissa tämä jännite voi jopa muuttaa etumerkkiä ulkoisen kentän tai lämpötilan muuttuessa.

Hall-anturi on elektroninen laite, joka on suunniteltu havaitsemaan Hall-ilmiö ja muuttamaan sen tulokset tiedoiksi. Näitä tietoja voidaan käyttää piirien kytkemiseen päälle ja pois, niitä voidaan käsitellä tietokoneella ja ne voivat aiheuttaa erilaisia ​​​​laitteen valmistajan ja ohjelmiston tarjoamia vaikutuksia.

Käytännössä Hall-anturit ovat yksinkertaisia, edullisia mikropiirejä, jotka käyttävät magneettikenttiä havaitsemaan muuttujia, kuten mekaanisen järjestelmän lähestymistä, nopeutta tai siirtymää.

Hall-anturit ovat kosketuksettomia, joten niiden ei tarvitse joutua kosketuksiin fyysisten elementtien kanssa, vaan ne voivat tuottaa digitaalisen tai analogisen signaalin suunnittelustaan ​​ja käyttötarkoituksestaan ​​riippuen.

Hall-efektiantureita löytyy matkapuhelimista, GPS-laitteista, kompasseista, kiintolevyistä, harjattomista moottoreista, tehtaan kokoonpanolinjoista, autoista, lääkinnällisistä laitteista ja monista esineiden internetin laitteista.

Hall-efektin sovellus: Hall-anturit ja Magneettisten suureiden mittaus