Αδιαβατικό αρνητικό και θετικό φαινόμενο Hall
Σε ένα καλώδιο μεταφοράς ρεύματος τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο, προκαλείται τάση σε κατεύθυνση κάθετη προς τις κατευθύνσεις του ηλεκτρικού ρεύματος και του μαγνητικού πεδίου. Το φαινόμενο της εμφάνισης μιας τέτοιας τάσης ονομάζεται φαινόμενο Hall και η ίδια η επαγόμενη τάση ονομάζεται τάση Hall.
Το 1879, ο Αμερικανός φυσικός Edwin Hall (1855-1938), ενώ εργαζόταν για τη διατριβή του, ανακάλυψε ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα. Πήρε μια λεπτή χρυσή πλάκα που έφερε συνεχές ρεύμα και την τοποθέτησε σε ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο στο επίπεδο της πλάκας. Σε αυτή την περίπτωση, ένα πρόσθετο ηλεκτρικό πεδίο εμφανίστηκε μεταξύ των άκρων της πλάκας. Αργότερα, αυτό το φαινόμενο πήρε το όνομά του από τον ανακάλυψε. Το φαινόμενο Hall έχει βρει ευρεία εφαρμογή: χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της επαγωγής ενός μαγνητικού πεδίου (αισθητήρες Hall), καθώς και για τη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των αγώγιμων υλικών (χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Hall, μπορεί κανείς να υπολογίσει τη συγκέντρωση των φορέων ρεύματος και το σημάδι τους).
Μονάδα αισθητήρα εφέ ρεύματος Hall ACS712 5A
Υπάρχουν δύο τύποι φορέων ηλεκτρικού ρεύματος — θετικοί φορείς που κινούνται προς μία κατεύθυνση και αρνητικοί φορείς που κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι αρνητικοί φορείς που κινούνται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μέσω ενός μαγνητικού πεδίου βιώνουν μια δύναμη που τείνει να εκτρέψει την κίνησή τους από μια ευθεία διαδρομή. Οι θετικοί φορείς που ταξιδεύουν προς την αντίθετη κατεύθυνση μέσω του ίδιου μαγνητικού πεδίου εκτρέπονται προς την ίδια κατεύθυνση με τους αρνητικούς φορείς.
Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας απόκλισης όλων των φορέων ρεύματος υπό την επίδραση των δυνάμεων Lorentz προς την ίδια πλευρά του αγωγού, δημιουργείται μια κλίση πληθυσμού φορέα και στη μία πλευρά του αγωγού ο αριθμός των φορέων ανά μονάδα όγκου θα είναι μεγαλύτερος από Απο την άλλη.
Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει το συνολικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας όταν υπάρχουν ίσοι αριθμοί φορέων δύο τύπων.
Εδώ, οι δυνητικές κλίσεις που δημιουργούνται από φορείς δύο τύπων στρέφονται ο ένας εναντίον του άλλου, έτσι ώστε η επιρροή τους να μην μπορεί να ανιχνευθεί όταν παρατηρηθεί από το εξωτερικό. Εάν οι φορείς ενός τύπου είναι περισσότεροι από τους φορείς ενός άλλου τύπου, τότε η κλίση πληθυσμού φορέα δημιουργεί ένα δυναμικό κλίσης Hall, ως αποτέλεσμα του οποίου μπορεί να ανιχνευθεί η τάση Hall που εφαρμόζεται στο καλώδιο.
Αδιαβατικό αρνητικό φαινόμενο Hall. Εάν μόνο τα ηλεκτρόνια είναι φορείς φορτίου, τότε η βαθμίδα θερμοκρασίας και η βαθμίδα του ηλεκτρικού δυναμικού βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Αδιαβατικό φαινόμενο Hall. Εάν μόνο οι οπές είναι φορείς φορτίου, τότε η κλίση θερμοκρασίας και η κλίση του ηλεκτρικού δυναμικού δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση
Εάν το ρεύμα μέσω του καλωδίου υπό την επίδραση της τάσης Hall είναι αδύνατο, τότε μεταξύ από τις δυνάμεις Lorentz και μέσω του Hall δημιουργείται ισορροπία τάσης.
Σε αυτή την περίπτωση, οι δυνάμεις Lorentz τείνουν να δημιουργήσουν μια κλίση πληθυσμού φορέα κατά μήκος του σύρματος, ενώ η τάση Hall τείνει να αποκαταστήσει μια ομοιόμορφη κατανομή πληθυσμού σε όλο τον όγκο του σύρματος.
Η ισχύς (τάση ανά μονάδα πάχους) του ηλεκτρικού πεδίου Hall που κατευθύνεται κάθετα προς τις κατευθύνσεις του ρεύματος d και του μαγνητικού πεδίου προσδιορίζεται από τον ακόλουθο τύπο:
Fz = KzVJ,
όπου K.z — Συντελεστής Hall (το πρόσημο και η απόλυτη τιμή του μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τις συγκεκριμένες συνθήκες). B — μαγνητική επαγωγή και J είναι η πυκνότητα του ρεύματος που ρέει στον αγωγό (η τιμή του ρεύματος ανά μονάδα της περιοχής διατομής του αγωγού).
Το σχήμα δείχνει ένα φύλλο υλικού που μεταφέρει ισχυρό ρεύμα i όταν τα άκρα του είναι συνδεδεμένα σε μπαταρία. Αν μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των απέναντι πλευρών, θα μας δώσει μηδέν, όπως φαίνεται στο σχήμα στα αριστερά. Η κατάσταση αλλάζει όταν το μαγνητικό πεδίο Β εφαρμοστεί κάθετα στο ρεύμα στο φύλλο, θα δούμε ότι μια πολύ μικρή διαφορά δυναμικού V3 εμφανίζεται μεταξύ των απέναντι πλευρών όπως φαίνεται στο σχήμα στα δεξιά.
Ο όρος «αδιαβατικό» χρησιμοποιείται για να περιγράψει συνθήκες όπου δεν υπάρχει ροή θερμότητας από το εξωτερικό προς ή από το υπό εξέταση σύστημα.
Υπάρχουν στρώματα μονωτικού υλικού και στις δύο πλευρές του σύρματος για να αποτρέψουν τη ροή θερμότητας και ρεύματος στην εγκάρσια κατεύθυνση.
Δεδομένου ότι η τάση Hall εξαρτάται από την ανομοιόμορφη κατανομή των φορέων, μπορεί να διατηρηθεί μέσα στο σώμα μόνο εάν η ενέργεια παρέχεται από κάποια πηγή εξωτερική του σώματος.Αυτή η ενέργεια προέρχεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργεί ένα αρχικό ρεύμα στην ουσία. Δύο πιθανές βαθμίδες καθορίζονται σε μια γαλβανομαγνητική ουσία.
Η αρχική κλίση δυναμικού ορίζεται ως η αρχική πυκνότητα ρεύματος πολλαπλασιασμένη με την αντίσταση της ουσίας και η κλίση δυναμικού Hall ορίζεται ως η αρχική πυκνότητα ρεύματος πολλαπλασιαζόμενη με τον συντελεστή Hall.
Δεδομένου ότι αυτές οι δύο διαβαθμίσεις είναι αμοιβαία κάθετες, μπορούμε να εξετάσουμε το διανυσματικό άθροισμά τους, η διεύθυνση του οποίου θα αποκλίνει κατά κάποια γωνία από την κατεύθυνση του αρχικού ρεύματος.
Αυτή η γωνία, η τιμή της οποίας καθορίζεται από τον λόγο των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου που προσανατολίζεται προς την κατεύθυνση του ρεύματος και του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται προς την κατεύθυνση του ρεύματος, ονομάζεται γωνία Hall. Μπορεί να είναι θετικό ή αρνητικό ως προς την κατεύθυνση του ρεύματος, ανάλογα με το ποιοι φορείς είναι κυρίαρχοι - θετικοί ή αρνητικοί.
Αισθητήρας εγγύτητας εφέ Hall
Το φαινόμενο Hall βασίζεται στον μηχανισμό επίδρασης ενός φορέα με κυρίαρχη αλατότητα, ο οποίος εξαρτάται από τις γενικές φυσικές ιδιότητες της αγώγιμης ουσίας. Για τα μέταλλα και τους ημιαγωγούς τύπου n, τα ηλεκτρόνια είναι φορείς, για τους ημιαγωγούς τύπου p - οπές.
Τα φορτία που μεταφέρουν ρεύμα εκτρέπονται στην ίδια πλευρά του σύρματος με τα ηλεκτρόνια. Εάν οι οπές και τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια συγκέντρωση, δημιουργούν δύο αντίθετες τάσεις Hall. Εάν οι συγκεντρώσεις τους είναι διαφορετικές, τότε μία από αυτές τις δύο τάσεις Hall κυριαρχεί και μπορεί να μετρηθεί.
Για θετικούς φορείς, η τάση Hall που απαιτείται για την εξουδετέρωση των παραμορφώσεων του φορέα υπό την επίδραση των δυνάμεων Lorentz είναι αντίθετη από την αντίστοιχη τάση για τους αρνητικούς φορείς. Σε μέταλλα και ημιαγωγούς τύπου n, αυτή η τάση μπορεί ακόμη και να αλλάξει πρόσημο όταν αλλάζει το εξωτερικό πεδίο ή η θερμοκρασία.
Ο αισθητήρας Hall είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει το φαινόμενο Hall και να μετατρέπει τα αποτελέσματά του σε δεδομένα. Αυτά τα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση κυκλωμάτων, μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία από υπολογιστή και μπορούν να προκαλέσουν διάφορα εφέ που παρέχονται από τον κατασκευαστή της συσκευής και το λογισμικό.
Στην πράξη, οι αισθητήρες Hall είναι απλά, φθηνά μικροκυκλώματα που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να ανιχνεύσουν μεταβλητές όπως η προσέγγιση, η ταχύτητα ή η μετατόπιση ενός μηχανικού συστήματος.
Οι αισθητήρες Hall είναι μη επαφής, πράγμα που σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να έρθουν σε επαφή με κανένα φυσικό στοιχείο. Μπορούν να παράγουν ψηφιακό ή αναλογικό σήμα, ανάλογα με το σχεδιασμό και τον σκοπό τους.
Οι αισθητήρες εφέ Hall μπορούν να βρεθούν σε κινητά τηλέφωνα, συσκευές GPS, πυξίδες, σκληρούς δίσκους, κινητήρες χωρίς ψήκτρες, γραμμές συναρμολόγησης εργοστασίων, αυτοκίνητα, ιατρικές συσκευές και πολλά gadget Internet of Things.
Εφαρμογή Hall Effect: Αισθητήρες Hall και Μέτρηση μαγνητικών μεγεθών