Adiabatický negativní a pozitivní Hallův jev

V proudovodném drátu umístěném v magnetickém poli se indukuje napětí ve směru kolmém na směry elektrického proudu a magnetického pole. Jev vzniku takového napětí se nazývá Hallův jev a samotné indukované napětí se nazývá Hallovo napětí.

V roce 1879 americký fyzik Edwin Hall (1855-1938) při práci na své disertační práci objevil zajímavý efekt. Vzal tenkou zlatou desku se stejnosměrným proudem a umístil ji do magnetického pole kolmého k rovině desky. V tomto případě se mezi okraji desky objevilo dodatečné elektrické pole. Později byl tento jev pojmenován po objeviteli. Hallův jev našel široké uplatnění: používá se k měření indukce magnetického pole (Hallovy senzory), stejně jako ke studiu fyzikálních vlastností vodivých materiálů (pomocí Hallova jevu lze vypočítat koncentraci nositelů proudu a jejich znamení).

Modul snímače Hallova proudového efektu ACS712 5A

Existují dva typy nosičů elektrického proudu – kladné nosiče pohybující se v jednom směru a záporné nosiče pohybující se v opačném směru.

Negativní nosiče pohybující se v určitém směru magnetickým polem zakoušejí sílu, která má tendenci odklonit jejich pohyb z přímé dráhy. Kladné nosiče pohybující se v opačném směru stejným magnetickým polem jsou vychylovány ve stejném směru jako záporné nosiče.

V důsledku takové odchylky všech nosičů proudu pod vlivem Lorentzových sil na stejnou stranu vodiče se ustaví gradient populace nosičů a na jedné straně vodiče bude počet nosičů na jednotku objemu větší než na druhé straně.

Obrázek níže ilustruje celkový výsledek tohoto procesu, když existuje stejný počet nosičů dvou typů.

Potenciální gradienty generované nosiči dvou typů jsou zde namířeny proti sobě, takže jejich vliv nelze při pozorování zvenčí detekovat. Pokud jsou nosiče jednoho typu početnější než nosiče jiného typu, pak gradient populace nosičů generuje Hallův gradientní potenciál, v důsledku čehož lze detekovat Hallovo napětí aplikované na drát.

Adiabatický negativní Hallův jev. Pokud jsou nosiči náboje pouze elektrony, pak teplotní gradient a gradient elektrického potenciálu směřují v opačných směrech.

Adiabatický Hallův efekt. Pokud jsou nosiči náboje pouze díry, pak teplotní gradient a gradient elektrického potenciálu míří stejným směrem

Pokud je proud drátem pod vlivem Hallova napětí nemožný, pak mezi Lorentzovými silami a prostřednictvím Hallova napětí je ustavena rovnováha.

V tomto případě mají Lorentzovy síly tendenci vytvářet gradient populace nosiče podél drátu, zatímco Hallovo napětí má tendenci obnovit rovnoměrné rozložení populace v celém objemu drátu.

Síla (napětí na jednotku tloušťky) Hallova elektrického pole směřujícího kolmo ke směru d proudu a směru magnetického pole je určena následujícím vzorcem:

Fz = KzVJ,

kde K.z — Hallův koeficient (jeho znaménko a absolutní hodnota se mohou výrazně lišit v závislosti na konkrétních podmínkách); B - magnetická indukce a J je hustota proudu tekoucího vodičem (hodnota proudu na jednotku plochy průřezu vodiče).

Obrázek ukazuje list materiálu, který vede silný proud i, když jsou jeho konce připojeny k baterii. Pokud změříme potenciální rozdíl mezi protilehlými stranami, dostaneme nulu, jak je znázorněno na obrázku vlevo. Situace se změní, když magnetické pole B působí kolmo na proud v plechu, uvidíme, že mezi protilehlými stranami se objeví velmi malý potenciálový rozdíl V3, jak je znázorněno na obrázku vpravo.

Termín „adiabatický“ se používá k popisu podmínek, kdy nedochází k žádnému tepelnému toku z vnějšku do nebo z uvažovaného systému.

Na obou stranách drátu jsou vrstvy izolačního materiálu, aby se zabránilo toku tepla a proudu v příčném směru.

Protože Hallovo napětí závisí na nerovnoměrném rozložení nosičů, může být uvnitř těla udržováno pouze tehdy, je-li energie dodávána z nějakého zdroje mimo tělo.Tato energie pochází z elektrického pole, které vytváří počáteční proud v látce. V galvanomagnetické látce jsou ustaveny dva potenciálové gradienty.

Počáteční potenciálový gradient je definován jako počáteční proudová hustota vynásobená odporem látky a Hallův potenciálový gradient je definován jako počáteční proudová hustota vynásobená Hallovým koeficientem.

Protože jsou tyto dva gradienty vzájemně kolmé, můžeme uvažovat jejich vektorový součet, jehož směr bude o nějaký úhel odchýlen od směru původního proudu.

Tento úhel, jehož hodnota je určena poměrem sil elektrického pole orientovaného ve směru proudu a elektrického pole generovaného ve směru proudu, se nazývá Hallův úhel. Může být kladný nebo záporný s ohledem na směr proudu, v závislosti na tom, které přenašeče jsou dominantní – kladné nebo záporné.

Hallův senzor přiblížení

Hallův jev je založen na mechanismu vlivu nosiče s převládající salinitou, který závisí na obecných fyzikálních vlastnostech vodivé látky. Pro kovy a polovodiče typu n jsou elektrony nosiče, pro polovodiče typu p - díry.

Náboje s proudem jsou vychylovány na stejnou stranu drátu jako elektrony. Pokud mají díry a elektrony stejnou koncentraci, generují dvě protilehlá Hallova napětí. Pokud jsou jejich koncentrace různé, pak jedno z těchto dvou Hallových napětí převažuje a lze je měřit.

Pro kladné nosiče je Hallovo napětí potřebné k vyrovnání výchylek nosiče pod vlivem Lorentzových sil opačné než odpovídající napětí pro záporné nosiče. V kovech a polovodičích typu n může toto napětí dokonce změnit znaménko, když se změní vnější pole nebo teplota.

Hallův senzor je elektronické zařízení určené k detekci Hallova jevu a převádění jeho výsledků na data. Tato data lze použít k zapínání a vypínání obvodů, mohou být zpracována počítačem a mohou způsobit různé efekty poskytnuté výrobcem zařízení a softwarem.

V praxi jsou Hallovy senzory jednoduché, levné mikroobvody, které využívají magnetická pole k detekci proměnných, jako je přiblížení, rychlost nebo posunutí mechanického systému.

Hallovy senzory jsou bezkontaktní, to znamená, že nemusejí přijít do kontaktu s žádnými fyzickými prvky, mohou generovat digitální nebo analogový signál v závislosti na jejich konstrukci a účelu.

Senzory s Hallovým efektem lze nalézt v mobilních telefonech, zařízeních GPS, kompasech, pevných discích, bezkomutátorových motorech, továrních montážních linkách, automobilech, lékařských zařízeních a mnoha zařízeních internetu věcí.

Aplikace Hallova efektu: Hallovy senzory a Měření magnetických veličin