Что такое эффект Холла? Где применяются датчики Холла?
Американский физик Эдвин Герберт Холл в 1879 году впервые описал необычное физическое явление при проведении эксперимента по пропусканию магнитного потока через тонкую золотую пластинку. Впоследствии это явление было названо его именем.
Эффект Холла — это возникновение в электрическом проводнике разности потенциалов на краях образца, помещённого в поперечное магнитное поле, при протекании тока, перпендикулярному полю.
Физическое объяснение
При помещении в магнитное поле пластины — проводника или полупроводника под 90° к направлению силовых линий магнитного потока произойдет перемещение электронов по поперечине пластины под действием силы Лоренца*.
Направление электронов зависит от того, в какую сторону идет сила тока и силовые линии магнитного потока. Иначе говоря, эффект Холла (ЭХ) – это частный случай действия силы Лоренца, то есть действия магнитного поля на заряженную частицу.
В данном случае происходит отклонение электронов перпендикулярно движению. Это вызывает избыток электронов на стороне отклонения и соответствующий недостаток электронов на противоположной стороне.
Можно представить это разделение зарядов как сходное с разделением зарядов в конденсаторе. Поскольку положительно и отрицательно заряженные стороны теперь находятся напротив друг друга, создается электрическое поле. Это электрическое поле оказывает на электроны силу, противоположную силе Лоренца. Если эти две силы компенсируют друг друга в одинаковой степени, то усиление разделения зарядов заканчивается.
Как и в случае с конденсатором, здесь можно отводить напряжение. Это электрическое напряжение называется напряжением Холла, которое линейно возрастает с увеличением магнитного поля и антипропорционально плотности носителей заряда. Это объясняется тем, что неизменная сила тока при меньшем числе носителей заряда может быть достигнута только за счет большей скорости отдельных носителей заряда. Более сильная сила Лоренца действует на более быстрые носители заряда, что увеличивает напряжение Холла.
Этот эффект называют обычным эффектом Холла, поскольку есть и другие явления, которые базируются на взаимодействии проводника, тока и магнитного поля.
*Хендрик Лоренц доказал, что электромагнитная индукция взаимодействует с заряженными частицами. Эти взаимодействия приводят к возникновению силы Лоренца. Рассматриваемая сила возникает под действием магнитной индукции. Она перпендикулярна вектору скорости движущейся частицы. Необходимым условием возникновения этой силы является движение электрического заряда.
Применение эффекта Холла
Наиболее важным применением ЭХ является определение концентрации носителей заряда в материалах, проводящих электрический ток, в частности в полупроводниках, у которых концентрацию носителей зарядов можно произвольно изменить, например, за счет введения примесей.
На основе ЭХ можно создать приборы, обладающие ценными и даже уникальными свойствами и занимающие важное место в измерительной технике, автоматике, радиотехнике.
При постоянной величине тока ЭДС Холла прямо пропорциональна магнитной индукции. Линейная зависимость этих величин для датчиков Холла (ДХ) является преимуществом перед измерителями индукции на основе магнетосопротивления. ДХ также позволяют измерять электрические и магнитные характеристики металлов и полупроводников.
При производстве полупроводниковых материалов ЭХ используется для измерения подвижности и концентрации носителей в них. Для этой цели на специальном подготовленном образце измеряют ЭДС Холла и по его величине судят о подвижности и концентрации носителей заряда в материале.
В настоящее время в силу высокой точности и постоянства данных ДХ нашли широкое применение в различных отраслях науки и техники. Они могут применяться для измерения силы, давлений, углов, перемещений и других неэлектрических величин.
Преимущества датчиков Холла
Датчики Холла измеряют величину магнитного поля – это один из типов магнитных преобразователей, получивших наиболее широкое распространение.
Метод эффекта Холла - метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей объекта контроля преобразователями Холла.
Основные преимущества ДХ – бесконтактность, отсутствие механических нагрузок и загрязнений. Низкая стоимость, надежность и способность выдерживать жесткие условия окружающей среды.
Безопасность ДХ достигается путем электрической изоляции. Датчики изготавливаются из таких металлов, как германий и кремний. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой.
Материал при этом должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для наибольшего эффекта вещество не должно обладать высокой электропроводностью. Преимуществом таких устройств является низкая зависимость от изменения температуры.
Практическое применение
Датчики Холла — идеальный вариант при создании систем контроля частоты вращения чего-либо, от кулеров до двигателей в технике.
Их используют при построении моторов со следящим приводом (возможно измерение угла поворота вала мотора); в создании бесконтактных однополярных и биполярных выключателей и переключателей; устанавливают в электростартерах ДВС, охлаждающих системах ПК, в приводах дисководов и вентиляциях компьютерной техники.
Используются датчики Холла и в смартфонах для обеспечения:
- Работы цифрового компаса, который применятся в навигационных программах и помогает повышать скорость позиционирования.
- Оптимизации взаимодействия девайса с разными аксессуарами, например, магнитными чехлами.
- Включения и выключения экрана при открытии или закрытии крышки в моделях с раскладной конструкцией.
ДХ применяют в измерительном оборудовании за счет способности преобразовать магнитную индукцию в разность потенциалов.
Работа датчика Холла в магнитном анализаторе МА-412ММ
Магнитный анализатор (коэрцитиметр) МА-412ММ предназначен для контроля качества объемной термообработки, поверхностного упрочнения и напряженного состояния деталей и металлоконструкций из ферромагнитных материалов в лабораторных и цеховых условиях.
Принцип работы магнитного анализатора основан на анализе взаимодействия переменного магнитного поля с контролируемой деталью.
Магнитное поле создается П-образным электромагнитом, где
1 – испытуемое изделие; 2 – П-образный электромагнит; 3 – преобразователь магнитного поля.
Испытуемое изделие 1 с помощью приставного П-образного электромагнита 2 намагничивают током Iнамагн., затем перемагничивают током Iперемагн. по нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса. В момент равенства нулю магнитного потока, регистрируемого преобразователем магнитного поля 3, в цепи электромагнит – изделие измеряют величину тока Iперемагн., пропорционального коэрцитивной силе Нс материала.
Магнитные характеристики зависят от целой гаммы физико-химических и структурных свойств среды (твердости, химического состава, сорта стали, толщины закаленного слоя и т.д.). При относительном постоянстве факторов в пределах одной конструкции магнитный анализатор выявляет аномалии, связанные с состоянием материала.
Когда после проведения исследовательских работ установлена связь между коэрцитивной силой и интересующим параметром изделия, магнитный анализатор позволяет ввести в память прибора выявленную взаимосвязь между магнитной характеристикой и контролируемым параметром. В результате показания прибора будут выводиться непосредственно в измеряемых единицах, например, в единицах твердости при измерении качества термообработки или в миллиметрах при контроле толщины упрочненного покрытия.
С помощью полюсов П-образного электромагнита датчик создает магнитный поток, необходимый для намагничивания и перемагничивания контролируемой детали. Регистрация величины магнитного потока осуществляется преобразователем магнитного поля, в качестве которого используется датчик Холла.
Электронный блок коэрцитиметра выполняет следующие функции:
- формирует величину и полярность тока, необходимого для работы электромагнита датчика;
- усиливает сигнал с датчика Холла, пропорциональный величине магнитного поля, до уровня, необходимого для дальнейшей обработки микроконтроллером;
- осуществляет цифровое преобразование сигнала с датчика Холла по алгоритмам, устанавливающим связь между сигналом с датчика и толщиной закаленного слоя;
- представляет результаты контроля в виде, удобном для работы оператора.
