Adijabatski negativni i pozitivni Hallov učinak

U žici kojom teče struja postavljenoj u magnetsko polje inducira se napon u smjeru okomitom na smjerove električne struje i magnetskog polja. Fenomen pojave takvog napona naziva se Hallov efekt, a sam inducirani napon naziva se Hallov napon.

Godine 1879. američki fizičar Edwin Hall (1855-1938), radeći na svojoj disertaciji, otkrio je zanimljiv učinak. Uzeo je tanku zlatnu ploču kroz koju teče istosmjerna struja i stavio je u magnetsko polje okomito na ravninu ploče. U tom slučaju se između rubova ploče pojavilo dodatno električno polje. Kasnije je ovaj fenomen dobio ime po pronalazaču. Hallov efekt našao je široku primjenu: koristi se za mjerenje indukcije magnetskog polja (Hallovi senzori), kao i za proučavanje fizikalnih svojstava vodljivih materijala (pomoću Hallovog efekta može se izračunati koncentracija nositelja struje i njihov znak).

Modul senzora Hallove struje ACS712 5A

Postoje dvije vrste nositelja električne struje - pozitivni nositelji koji se kreću u jednom smjeru i negativni nositelji koji se kreću u suprotnom smjeru.

Negativni nositelji koji se kreću u određenom smjeru kroz magnetsko polje doživljavaju silu koja nastoji skrenuti njihovo kretanje s pravocrtne putanje. Pozitivni nosioci koji putuju u suprotnom smjeru kroz isto magnetsko polje skreću u istom smjeru kao i negativni nosioci.

Kao rezultat takvog odstupanja svih nositelja struje pod utjecajem Lorentzovih sila na istu stranu vodiča, uspostavlja se gradijent naseljenosti nositelja, a na jednoj strani vodiča broj nositelja po jedinici volumena bit će veći od na drugoj.

Donja slika ilustrira ukupni rezultat ovog procesa kada postoji jednak broj nosača dviju vrsta.

Ovdje su potencijalni gradijenti koje generiraju dva tipa nositelja usmjereni jedni protiv drugih, tako da se njihov utjecaj ne može detektirati kada se promatra izvana. Ako su nositelji jedne vrste brojniji od nositelja druge vrste, tada gradijent populacije nositelja generira potencijal Hallovog gradijenta, kao rezultat kojeg se može otkriti Hallov napon primijenjen na žicu.

Adijabatski negativni Hallov učinak. Ako su samo elektroni nositelji naboja, tada su gradijent temperature i gradijent električnog potencijala u suprotnim smjerovima.

Adijabatski Hallov efekt. Ako su samo rupe nositelji naboja, tada gradijent temperature i gradijent električnog potencijala pokazuju u istom smjeru

Ako je struja kroz žicu pod utjecajem Hallovog napona nemoguća, tada između Lorentzovim silama a preko Hallovog napona se uspostavlja ravnoteža.

U ovom slučaju, Lorentzove sile nastoje stvoriti gradijent naseljenosti nosača duž žice, dok Hallov napon nastoji vratiti jednoliku distribuciju naseljenosti kroz volumen žice.

Jačina (napon po jedinici debljine) Hallovog električnog polja usmjerenog okomito na d struju i smjer magnetskog polja određena je sljedećom formulom:

Fz = KzVJ,

gdje je K.z — Hallov koeficijent (njegov predznak i apsolutna vrijednost mogu značajno varirati ovisno o specifičnim uvjetima); B - magnetska indukcija, a J je gustoća struje koja teče u vodiču (vrijednost struje po jedinici površine poprečnog presjeka vodiča).

Slika prikazuje list materijala koji provodi jaku struju i kada su njegovi krajevi spojeni na bateriju. Ako izmjerimo razliku potencijala između suprotnih strana, to će nam dati nulu, kao što je prikazano na slici lijevo. Situacija se mijenja kada se magnetsko polje B primijeni okomito na struju u limu, vidjet ćemo da se pojavljuje vrlo mala potencijalna razlika V3 između suprotnih strana kao što je prikazano na slici desno.

Izraz «adijabatski» koristi se za opisivanje uvjeta u kojima nema protoka topline izvana prema ili iz sustava koji se razmatra.

S obje strane žice postoje slojevi izolacijskog materijala koji sprječavaju protok topline i struje u poprečnom smjeru.

Budući da Hallov napon ovisi o neravnomjernoj raspodjeli nositelja, on se unutar tijela može održati samo ako se energija dovodi iz nekog izvora izvan tijela.Ova energija dolazi iz električnog polja koje stvara početnu struju u tvari. U galvanomagnetskoj tvari uspostavljena su dva gradijenta potencijala.

Početni gradijent potencijala definiran je kao početna gustoća struje pomnožena s otporom tvari, a Hallov gradijent potencijala definiran je kao početna gustoća struje pomnožena s Hallovim koeficijentom.

Budući da su ova dva gradijenta međusobno okomita, možemo razmotriti njihov vektorski zbroj, čiji će smjer za neki kut odstupiti od smjera izvorne struje.

Taj kut, čija je vrijednost određena omjerom sila električnog polja usmjerenog u smjeru struje i električnog polja generiranog u smjeru struje, naziva se Hallovim kutom. Može biti pozitivna ili negativna s obzirom na smjer struje, ovisno o tome koji nositelji su dominantni - pozitivni ili negativni.

Senzor blizine Hallovog efekta

Hallov efekt temelji se na mehanizmu utjecaja nosača s prevladavajućim salinitetom, koji ovisi o općim fizikalnim svojstvima vodljive tvari. Za metale i poluvodiče n-tipa, elektroni su nositelji, za poluvodiče p-tipa - rupe.

Naboji kojima teče struja skreću na istu stranu žice kao i elektroni. Ako šupljine i elektroni imaju istu koncentraciju, oni stvaraju dva suprotna Hallova napona. Ako su njihove koncentracije različite, tada jedan od ova dva Hallova napona prevladava i može se mjeriti.

Za pozitivne nosioce, Hallov napon potreban za suzbijanje otklona nositelja pod utjecajem Lorentzovih sila je suprotan odgovarajućem naponu za negativne nosioce. U metalima i poluvodičima n-tipa ovaj napon može čak promijeniti predznak kada se vanjsko polje ili temperatura promijene.

Hallov senzor je elektronički uređaj dizajniran za otkrivanje Hallovog efekta i pretvaranje njegovih rezultata u podatke. Ti se podaci mogu koristiti za uključivanje i isključivanje strujnih krugova, mogu se obraditi računalom i mogu izazvati različite učinke koje osigurava proizvođač uređaja i softver.

U praksi, Hallovi senzori su jednostavni, jeftini mikrosklopovi koji koriste magnetska polja za otkrivanje varijabli kao što su približavanje, brzina ili pomak mehaničkog sustava.

Hallovi senzori su beskontaktni, što znači da ne moraju dolaziti u kontakt s fizičkim elementima, mogu generirati digitalni ili analogni signal, ovisno o izvedbi i namjeni.

Senzori s Hallovim efektom mogu se pronaći u mobitelima, GPS uređajima, kompasima, tvrdim diskovima, motorima bez četkica, tvorničkim trakama za montažu, automobilima, medicinskim uređajima i mnogim Internet of Things napravama.

Primjena Hall efekta: Hallovi senzori i Mjerenje magnetskih veličina