Эффект Холла, датчики Холла - принцип работы, типы и область применения

Эффект Холла появляется, когда заряженные частицы движутся в плоскости в присутствии магнитного поля. Поле действует на частицы силой Лоренца, которая отклоняет их в направлении, перпендикулярном движению. В результате появляется поперечная (относительно изначального направления движения) разность потенциалов, называемся холловским напряжением.

Открыт Эдвином Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

Эдвин Герберт Холл (англ. Edwin Herbert Hall) родился 7 ноября 1855 в Горем, Камберленд, Мэн, США. Известен как: физик, первооткрыватель эффекта Холла. Научная сфера: физика. Место работы: Гарвардский университет (там же проводил свои исследования и написал много учебников и прикладных методических материалов); Альма-матер: Университет Джонса Хопкинса; Боудин-колледж. Научный руководитель: Роуланд, Генри. Умер 20 ноября 1938 в возврасте 83 года.

Во время проведения эксперимента в 1879 году Эдвин Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается постоянное напряжение, тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток. Также направление отклонения зависит от полярности, которую имеет магнитное поле. В результате чего, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

В простейшем рассмотрении эффект Холла выглядит следующим образом. Пусть через проводящий брусок в слабом магнитном поле B течет электрический ток под действием напряженности E. Магнитное поле будет отклонять носители заряда к одной из граней бруса от их движения против или вдоль электрического поля. При этом критерием малости будет служить условие, что при этом носители заряда не начнут двигаться по циклоиде.

Таким образом, сила Лоренца приведет к накоплению положительного заряда возле одной грани бруска, и отрицательной — возле противоположной. Накопление заряда будет продолжаться до тех пор, пока возникшее электрическое поле зарядов E₁ не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца:

Скорость электронов v можно выразить через плотность тока:

где n — концентрация носителей заряда. Тогда

Коэффициент пропорциональности между E₁ и jB называется коэффициентом (константой) Холла. В таком приближении знак постоянной Холла зависит от знака носителей заряда, что позволяет определять их тип для большого числа металлов. Несмотря на то, что носителями заряда в металлах являются электроны (имеющие отрицательный заряд), для некоторых металлов - например, таких, как свинец, цинк, железо, кобальт, вольфрам, — в сильных полях наблюдается положительный знак R_H, что объясняется в полуклассической и квантовой теориях твердого тела.

Эффект Холла можно наблюдать без внешнего постоянного магнитного поля, явление получило название - аномальный эффектом Холла. Квантовый эффект Холла наблюдается в сильных магнитных полях в плоском проводнике.
В случае отсутствия магнитного поля в немагнитных проводниках может наблюдаться отклонение носителей тока с противоположными направлениями спинов в разные стороны перпендикулярно электрическому полю. Это явление, получило название спиновый эффект Холла.

Устройства на основе эффекта Холла и области применения

Эффект Холла позволяет определить концентрацию и подвижность носителей заряда, а в некоторых случаях и тип носителей заряда (электроны или дырки) в металле или полупроводнике, что делает его хорошим методом для исследования свойств полупроводников.

На основе эффекта Холла работают датчики Холла — приборы, измеряющие напряженность магнитного поля.
Развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство - датчик Холла. Главным преимуществом датчиков Холла выступает то, что частота срабатывания устройства совпадает с моментом измерения. Выходной сигнал от такого датчика всегда устойчивый, без всплесков и колебаний амплитуды.

Датчик Холла может быть как аналоговым, так и цифровым. В свою очередь цифровые, могу быть биполярные и униполярные.

Аналоговые датчики Холла – преобразуют индукцию поля в напряжение, величина показанная датчиком зависит от полярности поля и его силы. Цифровые биполярные – реагируют на смену полярности поля (например: север-юг постоянного магнита), то есть одна полярность – включает датчик, другая – выключает. Цифровые униполярные – срабатывают при наличии поля определенной полярности и отключаются при снижении индукции поля.

Применение датчиков Холла

Датчики Холла используется в таких схемах, где требуется бесконтактное измерение силы тока. Устройство, используемое для измерения силы тока в проводнике. Датчик Холла, в отличие от трансформатора тока, измеряет также и постоянный ток.

Устройство на основе эффекта Холла применяются в бесколлекторных, или вентильных, электродвигателях (сервомоторах). Датчики закрепляются непосредственно на статоре двигателя и выступают в роли датчика положения ротора (ДПР), который реализует обратную связь по положению ротора и выполняет ту же функцию, что и коллектор в коллекторном двигателе постоянного тока (ДПТ). Широкое применение датчики нашли в сервоприводах (блоки вращающих видеоголовок, ведущие двигатели) ленторотяжных механизмах видеомагнитофонов видеокамер, ДАТ магнитофонах и др.

Также датчики Холла применяются:

• в приводах дисководов и двигателях вентиляторов компьютерной техники;
• в магнитометрах смартфонов в качестве физической основы работы электронного компаса;
• в электроизмерительных приборах (токоизмерительные клещи, пробники тока) для бесконтактного измерения силы тока;
• в приводах автоматической фокусировки объектива в качестве датчика точной фокусировки;
• на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей.
• Не обошли стороной датчики и электронику автомобилей. Что касается автоэлектроники, здесь датчики Холла применяются для измерения угла положения распределительного или коленчатого вала, а также в системе зажигания, указывая на момент образования искры. Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Простой пример принципа действия схемы с датчиком Холла

В простейшем рассмотрении принципа работы схемы с датчиком Холла выглядит так:

Схема устройства состоит из: постоянного магнита; лопасти ротора; магнитопроводов; пластикового корпуса; электронной микросхемы; контактов.

Принцип работы устройства следующий: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Подробно принцип работы датчиков Холла следует рассматривать в каждом конкретном случае, в зависимости от типа датчика и схемотехнического решения.
В интернет-журнале по автоэлектроники и бытовой радиотехники рассмотрено не мало схем с применением датчиков работающих на основе эффекта Холла с описанием принципа работы.