Efecto Hall

El efecto Hall es el fenómeno de la aparición de una diferencia de potencial en los bordes de una placa metálica bajo la acción de un campo magnético cuando una corriente eléctrica pasa a través de ella. Hoy en día se utiliza en teclados, lavadoras, automóviles. Un interesante artículo sobre los sensores del Hall.

La historia del descubrimiento del efecto

Sobre el descubrimiento por Edwin Hall de un efecto tan específico, poco se sabe. Por alguna razón, un evento tan significativo no se discute en la literatura. La sección sobre sensores de Hall menciona que Edwin hizo observaciones clave durante el doctorado en la Universidad Johns Hopkins en Baltimore. El evento ocurrió en 1879.Esto es todo lo que se encontrará en la literatura sobre los orígenes del gran descubrimiento.

Fuente mencionada, no tan discutida. Esta es una nota fechada el 19 de noviembre, en el otoño American Journal of Mathematics de 1879( Vol. 2, No. 3).Edwin habla en las páginas 287-292 de la edición:

“Durante el año pasado estuve estudiando mucho sobre Maxwell Electricidad y magnetismo, conferencias del profesor Rowland. Líneas separadas golpean el centro de atención!“Es necesario tener en cuenta escrupulosamente el hecho de que la fuerza que actúa sobre un conductor con corriente, ubicada a través de las líneas del campo magnético, se aplica directamente al material. Y si aplica voltaje a un disco o líquido, el material comenzará a moverse obedientemente a la influencia por completo, y la naturaleza del movimiento puede ser consistente con la forma de la corriente eléctrica, o estar en desacuerdo con él. Una fuerza magnética constante actúa sobre el flujo de partículas cargadas. Si la corriente fuera capaz de elegir la ruta a través del espesor del material, luego de un tiempo volvería a la trayectoria anterior. La FEM de la fuente se convierte en la única fuerza motriz real. ”

El joven científico llegó a la mente de que las líneas están directamente en conflicto con algunos fenómenos ya conocidos. Por la sencilla razón de que la fuerza que actúa sobre un cable con una corriente depende de la velocidad de flujo de las cargas. En contraste, la forma y la configuración del material adquieren un pequeño valor. A su vez, las interacciones entre las cargas se explican por su magnitud y signo, que se conoce desde los días de Charles Coulomb.

Después de los escritos de Maxwell, la nota de Edwin sobre Inducción unipolar( Anales de química y física, enero de 1879) aparece en los ojos de Edwin Hall. El texto demostró el hecho de que el imán actúa sobre un conductor fijo con una corriente de fuerza similar, como si estuviera suspendido libremente. Hall envió la pregunta al profesor Rowland y recibió en respuesta un mensaje sobre el empleo de un esposo erudito en este momento. Edwin tenía a su disposición un pensamiento digno de un enigma. Junto con el profesor Hall, desarrolló una metodología para el experimento:

. Si la corriente no mantiene una trayectoria constante de movimiento a lo largo del cable bajo la acción de un campo magnético, la densidad de las cargas a un lado aumentará.Lo que naturalmente aumenta la resistencia del conductor. Por lo tanto, queda por utilizar la ley de Ohm para probar la hipótesis.

Se eligió una hélice de alambre plano( aproximadamente medio milímetro de diámetro) de plata de níquel( que se asemeja a una bobina Tesla) con una resistencia total de 2 ohmios, intercalada entre dos almohadillas de goma gruesas, para implementar el experimento. La hoja decidió colocarla entre los dos polos de un imán de una vasta área. De modo que las líneas de la intensidad de campo en cada punto son perpendiculares a la dirección del flujo de corriente. El electroimán estaba alimentado por 20 elementos Bunsen conectados en 4 cadenas sucesivas de 5 ramas. La intensidad resultante excedió decenas de miles de veces el componente horizontal del campo magnético de la Tierra.

Se utilizó un puente de Whitston de medición como sensor, cuya diagonal incluía un galvanómetro del diseño de Lord Kelvin. La solución técnica de acuerdo con los datos preliminares registró el cambio en la resistencia de la hélice en una millonésima parte del valor total. Del 7 al 11 de octubre, Edwin Hall realizó 13 experimentos, cada uno de los cuales consistió en 40 mediciones: Medición de resistencia

1. con el imán encendido.
2. Similarmente con el imán apagado.
3. P. 1 con un cambio en la polaridad de las líneas del campo magnético.
4. repite el párrafo 2.

Las mediciones han demostrado que el campo magnético puede reducir y aumentar la resistencia. El aumento máximo fue de quince centésimas, el valor promedio de los resultados de los experimentos resultó ser mucho menor( cinco ppm).Quedó claro que las acciones tomadas no eran suficientes para hacer ciertas declaraciones. Es obvio que la corriente apenas se reconoce como sustancia incompresible, como se creía antes. Era necesario comprender por qué los resultados de los primeros experimentos son tan diferentes en cuanto al significado y la dirección del cambio en la resistencia.

El primer sensor de Hall

El primer sensor de Hall fue diseñado por el profesor Rowland. En la misma forma en que se usa el dispositivo hoy. Al ver que los experimentos de Edwin( y los suyos) no conducen al resultado, el profesor sugirió un modelo antiguo del experimento realizado a lo largo de los años( se describe el diseño del sensor Hall):

1. Un disco conductor( o una placa de otra forma) está encendido en el circuito eléctrico.
2. Con la ayuda de un galvanómetro, hay dos puntos equipotenciales en los lados de la figura.
3. El electroimán está encendido, cuyas líneas de intensidad de campo se encuentran en el plano perpendicular al disco.
4. Registra los cambios en las lecturas del galvanómetro.

. Se suponía que detectaba signos de cambio cuando cambian las condiciones de flujo actuales. El experimento usó el sensor Hall en el rendimiento actual, pero la experiencia falló.Se cree que el exceso de espesor del disco es el culpable. El profesor señaló esto a la atención de Edwin y expresó la opinión de que la situación se puede reparar si utilizamos una lámina delgada de oro montada en una base de vidrio( para evitar que el metal deforme el campo).La experiencia del 28 de octubre, que fue completamente exitosa, fue capaz de arreglar una deflexión estable de la aguja del galvanómetro bajo la acción de un campo magnético en una placa con una corriente.

Y aunque el movimiento resultó ser permanente, desapareció rápidamente, fue imposible atribuirlo a la inducción magnética( de los experimentos de Faraday).Se excluye rápidamente el error introducido por el campo de los solenoides eléctricos. En el horizonte se vislumbra claramente un descubrimiento. Es notable que el efecto se invirtió a medida que cambiaba la polaridad del imán. Para establecer las dependencias cuantitativas, el dispositivo se mejoró ligeramente:

• Se proporcionó un fuerte contacto de la fuente de energía en cada lado con placas de latón, bien pulidas y cuidadosamente soldadas al oro( 9x2 cm).
• Un metal puro permaneció en el centro: una región de 5,5 cm de longitud y todo el ancho. Aquí las líneas del campo magnético pasaron a través del oro.
• Los contactos del galvanómetro de alta resistencia de Thomson se acercaron a los bordes equidistantes de las placas de latón. Resultados de la medición de

Durante el experimento, se midieron el campo magnético de los solenoides, las corrientes a través de la placa y el galvanómetro. El resultado se registró en forma de una tabla presentada en la figura, que muestra que Edwin Hall logró obtener los primeros patrones. Ocurrió el 12 de noviembre de 1879.A pesar de que la expresión de la derecha tiene valores que difieren en un 8%, es obvio que el orden de los números es el mismo. Y descartaremos las desviaciones en los errores de los experimentadores y el equipo.

Los valores exactos no siempre son importantes. Hoy en día, los sensores Hall se utilizan activamente como indicadores de la ausencia o presencia de un campo magnético. Por ejemplo, en teclados o motores de lavadoras.

Aplicando el efecto Hall en la práctica

Ya dijo( ver sensores Hall) que las primeras aplicaciones industriales del efecto Hall aparecieron en la segunda mitad del siglo XX.Hoy en día, poco más de la mitad del segmento se encuentra en la industria automotriz. Más precisamente, las tecnologías avanzadas en otras áreas provienen de allí.Por ejemplo, los módulos ASIC y ASSP.El papel principal para el décimo año del siglo XXI pertenece a Asahi Kasei Microsystems( AKM), que suministra brújulas para dispositivos móviles basados ​​en el efecto Hall. Entre los gigantes industriales destacamos Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Entre los sensores de campo magnético basados ​​en el efecto Hall ocupan una cuota honorífica del 87%.

A menudo el sensor está incluido en el chip. El ancestro histórico es la serie CMOS.Sobre esta base, se lanzaron sensores integrados en el cristal para medir el ángulo del acelerador, dirección, distribución y velocidades de rotación del cigüeñal. La tecnología es de gran importancia en el funcionamiento de los motores de válvulas, donde los devanados deben cambiarse de cierta manera por la posición angular del rotor. La medida de la magnitud del campo involucró los últimos sensores 3D que determinan la posición angular y lineal del sistema de imanes. Anteriormente, era simplemente el hecho de la presencia o ausencia de un objeto a la vista. Esto es necesario para una competencia exitosa con tecnología magnetorresistiva.

Hoy se considera que las construcciones programables son la última moda, donde se ingresan diferentes funciones por medio de un código. Los sensores se pueden utilizar de varias maneras. Por ejemplo, de acuerdo con la posición mutua del área sensible y el imán, hay modos:

1. Frontal. En este caso, el imán está directamente opuesto al sensor, alejándose de él o acercándose en línea recta. El campo depende cuadráticamente de la distancia y la ley de la señal de salida desde la distancia se asemeja a una hipérbole. Este modo se llama unipolar, la tensión no puede cambiar de dirección.
2. Slip. En este caso, hay un espacio entre la almohadilla sensible y el imán. Esta coordenada se mantiene sin cambios. Un imán puede deslizarse paralelo al sensor en el mismo eje. En este caso, el campo no cambia, y la dependencia de la señal de salida en la coordenada está cerca de la distribución gaussiana. La dirección de la tensión no cambia, por lo tanto, el modo también se llama unipolar.
3. deslizamiento bipolar. A veces es necesario averiguar en qué dirección se ha desviado el imán. Y no solo determinar la distancia. En este caso, el imán se utiliza en herradura. En consecuencia, los polos producen respuestas de diferentes polaridades. Lo que dio el nombre del régimen.

Estos modos se utilizan periódicamente en combinación. Por ejemplo, cuando necesita posicionar con precisión el imán con relación a los sensores( utilizando actuadores), la sensibilidad del equipo aumenta con una característica pronunciada de la dependencia de la señal de salida en las coordenadas. Se utilizan imanes de tres bandas con polos alternos. Los descensos extremos de la gráfica son suaves, y el pico central es pronunciado. Lo que se consigue posicionamiento preciso del sistema.

Para reforzar las líneas de tensión, dando una dirección claramente definida, se utilizan puntas de polo. Estas son piezas de metal de aleaciones ferromagnéticas suaves. A medida que el imán se acerca, las líneas comienzan a esforzarse hacia el sitio, formando un espacio donde permanecen rectas. Si coloca el sensor Hall allí, la sensibilidad del sistema aumenta significativamente. Para el mismo propósito, se utilizan imanes de polarización, que permanecen en su lugar y no causan un accionamiento independiente. A medida que la parte móvil se acerca, la densidad del campo magnético aumenta considerablemente. Esto simplifica el disparo y reduce los requisitos de sensibilidad del sensor.

Agregue que la estructura de los sensores de señal de salida es analógica y digital. En este último caso, el sistema se acopla fácilmente con la automatización, y la señal medida ya no pierde precisión y se transfiere para su procesamiento.