Po experimentu Edwina Halla v roce 1879, při průchodu magnetického toku přes tenkou zlatou desku, byl na okrajích desky objeven potenciální rozdíl, to znamená, že se vytvořil Hallův jev.
Obsah
- Co je Hallův efekt
- Abnormální ozvěna
- Kvantové EC
- Spin echo
- Aplikace Hallova jevu
- Historie senzoru
- Jak to funguje?
- Všechny senzory jsou jiné
- Vývoj systémů založených na Hallově jevu
Co je Hallův efekt
Když je vodič nebo polovodičová deska umístěna v magnetickém poli pod úhlem 90° ke směru čar magnetického toku, elektrony se budou pohybovat podél příčky desky pod vlivem Lorentzovy síly. Jejich směr závisí na tom, kterým směrem jdou čáry proudu a magnetického toku. Jinými slovy, (AH) Hallův efekt – jedná se o speciální případ působení Lorentzovy síly, tedy působení magnetického pole na nabitou částici.
To lze vidět na jednoduchém příkladu.
Pokud si představíme desku s koncem k nám, pak její okraj směřuje dolů. Je vyroben z kovu, oba konce jsou napojeny na zdroj energie, jehož zadní část je záporná, přední kladná.
Tento případ naznačuje, že elektrický proud poteče směrem k pozorovateli. Napravo a nalevo od talíře jsou dva magnety. Pravá směřuje k desce se severním pólem, levá k jižnímu pólu. Došli jsme k závěru, že tento případ ukazuje směr magnetických siločar zprava doleva, protože vždy opouštějí severní pól a vstupují na jih. Siločáry vychylují elektrony, které cestují podél desky k jejímu hornímu okraji.
Při změně směru proudu v desce prohozením vodičů budeme moci pozorovat odklon elektronů směrem dolů. Pokud se nezmění směr, ale pouze póly magnetů, elektrony se začnou posouvat dolů. Když jsou použity oba směry, Lorentzova síla způsobí jejich pohyb nahoru.
Je zřejmé, že jedna z hran pod vlivem Lorentzovy síly akumuluje záporný náboj, zatímco druhá na opačné straně kladný náboj. To naznačuje přítomnost rozdílu potenciálu mezi nimi, to znamená elektrického napětí. Tento rozdíl se bude zvětšovat, dokud nevyrovná Lorentzovu sílu.
Výskyt potenciálního rozdílu v takových případech se nazývá Hallovo napětí, který lze vypočítat pomocí vzorce:
U h o l l = – IB et , kde I je síla proudu, B je vektor magnetické indukce, e je náboj elektronu, p je počet elektronů na jednotku objemu, t je tloušťka desky.
Abnormální ozvěna
Existují případy, kdy lze v desce detekovat echo komoru, aniž by přes ni procházel magnetický tok. To je možné, když je porušena symetrie s ohledem na změnu času v systému. Zejména anomální echo reakce se mohou projevit v magnetizovaných materiálech.
Kvantové EC
Dvourozměrné plyny s průměrnou vzdáleností mezi částicemi redukovanou na hodnotu de Broglieho délky v závislosti příčného odporu na vlivu magnetického pole jsou náchylné ke vzniku odporového plató v příčném směru. EC je kvantován pouze v silných magnetických polích.
Magnetické toky s větší indukční silou mají efekt frakčního kvantového echa. Je spojena s restrukturalizací vnitřní struktury dvourozměrné elektronové kapaliny.
Spin echo
SEC lze pozorovat na nezmagnetizovaných vodičích, které se nepřemístily do pole působení siločar magnetického pole. Podstatou efektu je vychylování elektronů s antiparalelními spiny k opačným okrajům desky.
Aplikace Hallova jevu
Aplikace Hallovy metody je spojena se studiem charakteristik polovodičů. S jeho pomocí bylo možné vypočítat počet nosičů náboje na jednotku objemu a také jejich mobilitu. Při jeho použití je možné odlišit elektron od kvazičástice s kladným nábojem.
EC byl vždy považován za základ pro vývoj Hallových senzorů. Zařízení je určeno k měření intenzity magnetického pole. Používají se k výrobě servomotorů. V motorech fungují jako snímač zpětné vazby. Jsou schopny měřit úhel natočení hřídele motoru.
Hallovy senzory jsou instalovány v elektrických startérech spalovacích motorů, v systémech chlazení PC, navigačních systémech mobilních telefonů a v měřicích přístrojích pro výpočet množství náboje.
Charakteristiky magnetického pole je možné měřit jak pomocí elementárních systémů, tak pomocí velmi složitých technologických řešení. Vše závisí na tom, jaká měření se provádějí a jaké výsledky se očekávají. Nejjednoduššími snímači magnetického pole jsou jazýčkové spínače. Tyto prvky mění stav připojeného elektrického obvodu při vystavení magnetickému poli. Jazýčkové spínače se používají všude, například v senzorech otevřených dveří.
Jazýčkové spínače jsou velmi jednoduché systémy. Chcete-li získat další informace o magnetickém poli, můžete také použít kompas. Zhruba takto fungovaly první magnetometry. Nyní je ale možností mnohem více, protože se objevily nové systémy včetně běžných senzorů, které využívají Hallův jev.
Sortiment modelů takových senzorů je extrémně široký – od klávesnic až po posuzování uzavření či otevření ventilu. Hallovy senzory se používají v bezkontaktním zapalovacím systému benzínových motorů, slouží ke čtení vačkového hřídele motoru za účelem stanovení parametrů otáčení. Elektronická řídicí jednotka automobilu na základě údajů ze snímačů určuje provozuschopnost systému zapalování a startování.
Historie senzoru
Všechno to začalo prací Edwina Halla, který objevil efekt později pojmenovaný po něm v roce 1878. Základní myšlenka je jednoduchá: když je magnetické pole aplikováno na vodič, kterým prochází elektrický proud, dochází na koncích vodiče k rozdílu napětí, protože proud teče kolmo k poli.
Tento efekt se nazývá obyčejný Hallův jev, protože existují další jevy, které jsou založeny na interakci vodiče, proudu a magnetického pole.
Senzory, jejichž činnost je založena na Hallově jevu, jsou tedy pouze jedním z typů moderních magnetometrů. Existuje mnoho různých typů senzorů, které používají induktory přijímače. Mohou se otáčet nebo jinak a k měření síly magnetického pole se používají také váhy nebo pružiny. Magnetické pole je možné detekovat i pomocí optických vlastností materiálů a odpovídajících efektů – například Kerrův nebo Faradayův jev.
Existují také velmi specifické senzory, které lze nazvat exotickými. Spoléhají na měření protonové rezonance ve sloučeninách bohatých na vodík a látkách, jako je petrolej, nebo na stanovení energetického stavu molekul plynu, jako je cesium. Existují i senzory se supravodivými cívkami.
Ale právě snímače s Hallovým efektem jsou nejlevnější, mají malé rozměry a jsou velmi praktické. Jak již bylo zmíněno výše, v klávesnicích se používají miniaturní Hallovy senzory. Je těžké si představit klávesnici založenou na supravodivých senzorech připevněných ke spodní části kláves.
Hallovy senzory jsou ideální volbou při vytváření systémů řízení rychlosti pro cokoli, od chladičů po motory v technologii. Snímače byly použity ve videorekordérech a luxusních kazetových magnetofonech. Příklad – Vega-MP122.
- Obsluha digitálního kompasu, který se používá v navigačních programech a pomáhá zvýšit rychlost určování polohy.
- Optimalizace interakce zařízení s různými doplňky, například magnetickými pouzdry.
- Použití senzoru u modelů se skládacím designem pro zapnutí a vypnutí obrazovky při otevírání nebo zavírání víka.
Jak to funguje?
Na internetu je mnoho videí, která vysvětlují fyzikální principy Hallova jevu. Ale můžete to pochopit bez jakýchkoli videí – vše je zde poměrně jednoduché. Představte si vodiče velikosti a tvaru bankovky. Levá a pravá strana jsou napojeny na stejnosměrný zdroj, který prochází vodičem. Pokud je vodič v dobrém stavu, pak bez vlivu magnetického pole bude napětí v horní a spodní části vodiče blízké nule.
Ale pokud se v systému objeví magnetické pole, jehož čáry jsou umístěny v pravém úhlu k toku proudu, Lorentzova síla začne ovlivňovat elektrony a díry ve vodiči. Částice se začnou vychylovat. V souladu s tím se elektrony budou shromažďovat na jedné straně vodiče, ale nebudou na druhé straně.
Pomocí multimetru můžete měřit napětí v horní a spodní části vodiče. Pokud odstraníte magnetické pole, napětí bude opět téměř nulové.
V zařízeních, které využívají Hallův jev, se přidává další obvod, který obvykle obsahuje zesilovač Hallova napětí. Někdy existuje regulátor předpětí. Digitální výstupní snímač může mít komparátor a výstupní tranzistor.
Všechny senzory jsou jiné
Existují dva hlavní typy Hallových senzorů – jedná se o digitální senzory, které se zase dělí na unipolární a bipolární. A také analogové senzory.
Pokud chcete ve svém projektu použít Hallův senzor, musíte podrobně porozumět jeho základním charakteristikám. Snímače mají omezení ve svém frekvenčním rozsahu a některé mohou být poměrně drahé. Například Melexis má zařízení na 250 kHz, tato frekvence je mnohem vyšší než u většiny podobných systémů. Bude fungovat pouze při 5V a 15mA.
Příklad datového listu ukazuje, že existují dva druhy tohoto senzoru – 7,5 mT (millitesla), druhý – 20 mT. Existuje dokonce verze s 60 mT.
Hallovy senzory lze integrovat do elektronických obvodů. Například ESP32 má svůj vlastní Hallův senzor, jak ukazuje video výše.
Vývoj systémů založených na Hallově jevu
Jak je ukázáno výše, můžete přijít na spoustu věcí. Dalším příkladem je přenosný magnetometr, jehož deska se vejde do plastové krabičky Tic Tac. S jeho pomocí můžete zjednodušit úkol sledování elektrického vedení položeného ve stěně nebo stropě. Dalším příkladem je sledování kávovarů za účelem odhadu počtu připravených šálků kávy.
