Adiabatisch negatief en positief Hall-effect

In een stroomvoerende draad die in een magnetisch veld is geplaatst, wordt een spanning geïnduceerd in een richting loodrecht op de richtingen van de elektrische stroom en het magnetische veld. Het fenomeen van het verschijnen van een dergelijke spanning wordt het Hall-effect genoemd en de geïnduceerde spanning zelf wordt de Hall-spanning genoemd.

In 1879 ontdekte de Amerikaanse natuurkundige Edwin Hall (1855-1938) tijdens het werken aan zijn proefschrift een interessant effect. Hij nam een ​​dunne gouden plaat waarop gelijkstroom stond en plaatste deze in een magnetisch veld loodrecht op het vlak van de plaat. In dit geval verscheen er een extra elektrisch veld tussen de randen van de plaat. Later werd dit fenomeen vernoemd naar de ontdekker. Het Hall-effect heeft een brede toepassing gevonden: het wordt gebruikt om de inductie van een magnetisch veld te meten (Hall-sensoren), en om de fysische eigenschappen van geleidende materialen te bestuderen (met behulp van het Hall-effect kan men de concentratie van stroomdragers berekenen en hun teken).

Hall-stroomeffectsensormodule ACS712 5A

Er zijn twee soorten elektrische stroomdragers: positieve dragers die in de ene richting bewegen en negatieve dragers die in de tegenovergestelde richting bewegen.

Negatieve dragers die in een bepaalde richting door een magnetisch veld bewegen, ervaren een kracht die de neiging heeft om hun beweging van een recht pad af te leiden. Positieve dragers die in de tegenovergestelde richting door hetzelfde magnetische veld reizen, worden in dezelfde richting afgebogen als negatieve dragers.

Als gevolg van een dergelijke afwijking van alle stroomdragers onder invloed van Lorentz-krachten naar dezelfde kant van de geleider, wordt een dragerbevolkingsgradiënt vastgesteld en aan één kant van de geleider zal het aantal dragers per volume-eenheid groter zijn dan op de andere.

De onderstaande afbeelding illustreert het algehele resultaat van dit proces wanneer er een gelijk aantal dragers van twee typen is.

Hier zijn de potentiaalgradiënten gegenereerd door dragers van twee typen tegen elkaar gericht, zodat hun invloed van buitenaf niet kan worden gedetecteerd. Als dragers van het ene type talrijker zijn dan dragers van een ander type, genereert de dragerpopulatiegradiënt een Hall-gradiëntpotentiaal, waardoor de op de draad aangelegde Hall-spanning kan worden gedetecteerd.

Adiabatisch negatief Hall-effect. Als alleen de elektronen ladingsdragers zijn, wijzen de temperatuurgradiënt en de elektrische potentiaalgradiënt in tegengestelde richtingen.

Adiabatisch Hall-effect. Als alleen de gaten ladingsdragers zijn, wijzen de temperatuurgradiënt en de elektrische potentiaalgradiënt in dezelfde richting

Als de stroom door de draad onder invloed van de Hall-spanning onmogelijk is, dan tussen door Lorentz-troepen en via het Hall-spanningsevenwicht wordt tot stand gebracht.

In dit geval hebben Lorentz-krachten de neiging om een ​​gradiënt van de dragerbevolking langs de draad te creëren, terwijl de Hall-spanning de neiging heeft om een ​​uniforme bevolkingsverdeling door het volume van de draad te herstellen.

De sterkte (spanning per dikte-eenheid) van het Hall-elektrische veld dat loodrecht op de d-stroom- en magnetische veldrichtingen is gericht, wordt bepaald met de volgende formule:

Fz = KzVJ,

waarbij K.z — Hall-coëfficiënt (het teken en de absolute waarde kunnen aanzienlijk variëren, afhankelijk van de specifieke omstandigheden); B — magnetische inductie en J is de dichtheid van de stroom die door de geleider vloeit (de waarde van de stroom per eenheid van de dwarsdoorsnede van de geleider).

De afbeelding toont een vel materiaal dat een sterke stroom i geleidt wanneer de uiteinden zijn verbonden met een batterij. Als we het potentiaalverschil tussen de tegenovergestelde zijden meten, krijgen we nul, zoals weergegeven in de afbeelding links. De situatie verandert wanneer het magnetische veld B loodrecht op de stroom in het vel wordt aangelegd, we zullen zien dat er een heel klein potentiaalverschil V3 verschijnt tussen de tegenoverliggende zijden, zoals weergegeven in de afbeelding rechts.

De term «adiabatisch» wordt gebruikt om omstandigheden te beschrijven waarbij er geen warmtestroom van buitenaf naar of van het systeem in kwestie is.

Aan beide zijden van de draad bevinden zich lagen isolerend materiaal om de stroming van warmte en stroom in de dwarsrichting te voorkomen.

Aangezien de Hall-spanning afhangt van de ongelijke verdeling van dragers, kan deze alleen in het lichaam worden gehandhaafd als de energie wordt geleverd door een externe bron aan het lichaam.Deze energie is afkomstig van een elektrisch veld dat een initiële stroom in de substantie creëert. In een galvanomagnetische substantie worden twee potentiaalgradiënten tot stand gebracht.

De initiële potentiaalgradiënt wordt gedefinieerd als de initiële stroomdichtheid vermenigvuldigd met de weerstand van de stof, en de Hall-potentiaalgradiënt wordt gedefinieerd als de initiële stroomdichtheid vermenigvuldigd met de Hall-coëfficiënt.

Aangezien deze twee gradiënten onderling loodrecht staan, kunnen we hun vectorsom beschouwen, waarvan de richting een hoek zal afwijken van de richting van de oorspronkelijke stroom.

Deze hoek, waarvan de waarde wordt bepaald door de verhouding van de krachten van het elektrische veld georiënteerd in de richting van de stroom en het elektrische veld gegenereerd in de richting van de stroom, wordt de Hall-hoek genoemd. Het kan positief of negatief zijn met betrekking tot de richting van de stroom, afhankelijk van welke dragers dominant zijn - positief of negatief.

Hall-effect naderingssensor

Het Hall-effect is gebaseerd op het beïnvloedingsmechanisme van een drager met overheersend zoutgehalte, dat afhangt van de algemene fysische eigenschappen van de geleidende stof. Voor metalen en n-type halfgeleiders zijn elektronen dragers, voor p-type halfgeleiders - gaten.

De stroomvoerende ladingen worden naar dezelfde kant van de draad afgebogen als de elektronen. Als gaten en elektronen dezelfde concentratie hebben, genereren ze twee tegengestelde Hall-spanningen. Als hun concentraties verschillend zijn, overheerst een van deze twee Hall-spanningen en kan deze worden gemeten.

Voor positieve draaggolven is de Hall-spanning die nodig is om draaggolfafbuigingen onder invloed van Lorentz-krachten tegen te gaan, tegengesteld aan de overeenkomstige spanning voor negatieve draaggolven. In n-type metalen en halfgeleiders kan deze spanning zelfs van teken veranderen wanneer het externe veld of de temperatuur verandert.

Een Hall-sensor is een elektronisch apparaat dat is ontworpen om het Hall-effect te detecteren en de resultaten om te zetten in gegevens. Deze gegevens kunnen worden gebruikt om circuits in en uit te schakelen, kunnen door een computer worden verwerkt en kunnen verschillende effecten veroorzaken die worden geleverd door de fabrikant van het apparaat en de software.

In de praktijk zijn Hall-sensoren eenvoudige, goedkope microschakelingen die magnetische velden gebruiken om variabelen zoals de nadering, snelheid of verplaatsing van een mechanisch systeem te detecteren.

Hall-sensoren zijn contactloos, wat betekent dat ze niet in contact hoeven te komen met fysieke elementen.Ze kunnen een digitaal of analoog signaal genereren, afhankelijk van hun ontwerp en doel.

Hall-effectsensoren zijn te vinden in mobiele telefoons, gps-apparaten, kompassen, harde schijven, borstelloze motoren, fabrieksassemblagelijnen, auto's, medische apparaten en veel Internet of Things-gadgets.

Hall-effect-toepassing: Hall-sensoren En Meting van magnetische grootheden