Эффект Холла

Американский физик Эдвин Герберт Холл занимался изучением свойств магнитных полей и в 1879 году в результате экспериментов с магнитными потоками и золотыми пластинами столкнулся с ранее неизученным электротехническим эффектом разности электрических потенциалов, который и был назван в его честь – эффект Холла. Лишь через сотню лет это наблюдение   нашло свое технологическое применение в сфере электротехники и электроники.

Эдвин Грей Холл открыл эффект, названный в его честь

Происхождение эффекта Холла, виды его проявления

Описываемый эффект основывается на силе Лоренца (и выступает как бы его продолжением), характеризующей направления передвижения заряженных частиц-электронов, помещенных в магнитное поле. Американским ученым было доказано, что в случае, если электроны двигаются в перпендикулярном направлении к генерируемому магнитному полю, заряженная частица испытывает давление, перпендикулярное направлению движения.

Сила Лоренца

Электромагнитная сила, открытая Лоренцем, воздействует на движущиеся заряженные частицы таким образом, что между границами токопроводящего объекта возникает некое напряжение, называемое разностью потенциалов.

Направление Лоренцовой силы, согласно «правилу правой руки», учитывает направление протекания электронов. Так, если поток идет вправо, то сила Лоренца действует по направлению вверх. Если же заряженные частицы текут в левую сторону, эта сила показывает вниз, и негативный заряд собирается на этой стороне проводящего агента.

На разности потенциалов возникает эффект Холла

Напряжение Холла определяется по особой формуле, расчет которой включает такие переменные, как:

• величина протекающего через полупроводниковую пластину тока (обозначается литерой «I»);
• величина магнитной индукции (обозначается литерой «В»);
• направленности (положительной или отрицательной) заряженных частиц (буква «е» в формуле);
• концентрации носителей тока (буква «n»);
• удельного числа электронов на единицу площади (литера «р»);
• размера проводниковой пластинки в поперечнике (кодируется литерой «t»).

При этом получающееся соотношение 1/n*e для одинаковых полупроводниковых материалов, нагретых до одинаковой температуры, всегда одно и то же, оно названо «постоянная Холла».  Для полупроводников дырочного типа коэффициент Холла носит положительное значение, а для электронного типа – отрицательное.

Как можно использовать эффект Холла

Обычный эффект Холла производит очень маленькие напряжения по сравнению с посторонними шумами, разбросом температур и смещением полей, поэтому использование его для датчиков было нецелесообразно. Однако, с появлением в электронике полупроводников, которые позволили появиться компонентам с повышенной интегрированностью, стало возможным использование и данного эффекта, правда с дополнительной схемой по усилению напряжения.

С помощью эффекта Холла ученые-физики продолжают изучать свойства полупроводниковых материалов. Например, определяется количество электронов на единицу объема, скорость их движения, можно отделять электроны от положительных квазичастиц.

Электромагнитное явление, описанное Холлом, на практике применяется в самых разных датчиках для контроля за такими показателями магнитного поля, как положение, скорость и напряженность. Эти приборы незаменимы при конструировании моторов, имеющих следящие приводы, там они выполняют функции датчиков обратной связи, с их помощью определяется градус поворота моторной вала.

Датчик Холла, используемый в автомобиле

Все датчики, сконструированные с применением эффекта Холла, имеют разные характеристики, свои положительные и отрицательные стороны. В целом, они вполне могут конкурировать с приборами на основе другого популярного способа контроля за магнитными полями – вставления потенциометров в электроцепь и определения скачка напряжения вниз дифференциальным усилителем.

Достоинства и недостатки датчиков Холла

Главным плюсом датчиков Холла является отличная электрическая изоляция между путем протекания электричества и цепью измерения (в проектировании схем она носит название гальванической развязки). Ее принцип незаменим в тех случаях, когда для проекта необходима связь электросхем, полностью исключающая обмен электрическим током между ними. Такие приборы не оказывают влияния на предмет измерения, поскольку не оказывается сколько-нибудь существенного сопротивления, поэтому электромагнитные показатели схемы остаются такими же, как до включения датчика Холла в цепь.

Также приборы Холла демонстрируют довольно высокую точность измерений, минимальный процент ошибок стремится к единице.

У приборов с использованием описываемого эффекта есть и зарегистрированные недостатки. Среди них можно выделить то, что все они работают лишь с весьма ограниченным разбросом частот и стоят достаточно дорого. Так, «АСиЭс-712» может применяться на частотах до 80 килогерц, а широкополосный «Мелексис МЛХ-91-208» – максимум до 250 килогерц, тогда как обычный резистивный датчик, имеющий высокоскоростное усиление, справляется с частотами в мегагерцовом интервале.

Синфазное напряжение

Датчики Холла нашли свое применение и в определении показателей тока при работах с высоким напряжением.  Обычный усилитель измеряет разность между возникающим напряжением с обеих сторон резистора. Однако, они работают в весьма небольшом разбросе синфазности, т.е. такой прибор не будет работать правильно, потому что входные напряжения почти одинаковы, а разность между ними и напряжением земли очень большая. Диапазон таких напряжений для токизмерительных усилителей составляет от 80 до 100 ватт. А вот датчики Холла преобразовывают электроток в его напряжения, не связываясь с заземлением. Значит, при малом напряжении (физическое повреждение не наступает) напряжение синфазности не мешает датчикам Холла выполнять свои измерения.

Что такое эффект Холла, стало известно более 150 лет назад, однако применять его стали относительно недавно – в электротехнике в интегральных микросхемах датчиков Холла, обеспечивающих хорошую электроизоляцию, и даже в современных смартфонах (на основе этого эффекта работают электронные компасы).

Видео