Hall-efekt

Hall-efekt on nähtus, et metallplaadi servades tekib potentsiaalne erinevus magnetvälja toimel, kui seda läbib elektrivool. Tänapäeval kasutatakse seda klaviatuurides, pesumasinates, autodes. Huvitav artikkel Hall-anduritest.

efekti avastamise ajalugu Edwin Halli poolt sellise konkreetse efekti avastamisel on vähe teada. Mingil põhjusel sellist olulist sündmust kirjanduses ei käsitleta. Hall andurite osas mainitakse, et Edwin tegi Baltimore'i Johns Hopkinsi ülikooli doktorikraadi ajal olulisi tähelepanekuid.Üritus toimus 1879. aastal. See on kõik, mis kirjanduses leidub suure avastuse päritolu kohta.

Mainitud allikas, mida pole nii arutatud. See on 19. novembri kiri Ameerika Ühendriikide Matemaatika ajakirjas 1879( Vol. 2, No. 3).Edwin räägib väljaande lehekülgedel 287-292:

„Viimase aasta jooksul olen õppinud palju Maxwelli elektrit ja magnetismi, professor Rowlandi loenguid. Eraldi jooned tabasid tähelepanu!„Tuleb hoolikalt tähele panna asjaolu, et elektrivoolu juhile mõjuv jõud, mis paikneb üle magnetväljajoonte, kantakse otse materjalile. Ja kui te rakendate ketta või vedeliku pinge, hakkab materjal liikuma täielikult mõjuvõimu ja liikumise olemus võib olla kooskõlas elektrivoolu kujuga või olla sellega vastuolus. Laetud osakeste voolule mõjub pidev magnetjõud. Kui vool oleks suutnud valida materjali paksuse, siis mõne aja pärast naaseb see eelmise trajektoori juurde. Allika EMF on ainus tõeline liikumapanev jõud. ”

Noor teadlane tuli meelde, et need read on otseselt vastuolus mõne juba tuntud nähtusega. Lihtsalt põhjusel, et voolu mõjutav jõud sõltub laengute voolukiirusest. Seevastu materjali kuju ja konfiguratsioon omandavad väikese väärtuse. Tasude omavahelised koosmõjud on omakorda seletatavad nende suuruse ja märgiga, mis on tuntud juba Charles Coulombi ajast.

Pärast Maxwelli kirjutisi jõuab Edwin Hall'i silmadesse Edwini märkus Unipolaarse induktsiooni kohta( Annales de Chemie et de Physique, jaanuar 1879).Tekst tõestas tõsiasja, et magnet toimib fikseeritud juhtmele, millel on sarnase jõuga vool, nagu oleks vabalt peatatud. Hall edastas küsimuse professor Rowlandile ja sai vastuseks teate teadlase abikaasa töölevõtmise kohta. Edwini käsutuses oli mõte väärt. Koos professorisaali töötas ta välja eksperimendi metoodika:

Kui vool ei hoia magnetvälja toimel pidevat liikumist mööda traati, muutub ühele küljele laengute tihedus kõrgemaks. See suurendab loomulikult juhi vastupanuvõimet. Seetõttu on hüpoteesi testimiseks vaja kasutada Omi seadust.

Katse rakendamiseks valiti lame traadist heeliks( umbes pool millimeetrit läbimõõduga) nikli hõbedast( mis sarnaneb Tesla mähisega), mille üldtakistus on 2 oomi ja mis on asetatud kahe paksuse kummipadja vahele. Leht otsustas paigutada suure ala kahe magneti vahele. Nii, et väljatugevuse jooned igas punktis on risti voolu voolusuuna suhtes. Elektromagnetit kasutati 20 Bunsen elemendiga, mis olid ühendatud nelja järjestikuse viie ahela vahel. Saadud intensiivsus ületas kümneid tuhandeid kordi Maa magnetvälja horisontaalset komponenti.

Andurina kasutati mõõtu Whitstoni silda, mille diagonaal sisaldas Lord Kelvini disaini galvanomeetrit. Esialgsetele andmetele vastav tehniline lahendus salvestas heeliksitakistuse vastuse muutuse miljonisosa koguväärtusest.7.-11. Oktoobrini tegi Edwin Hall 13 katset, millest igaüks koosnes 40 mõõtmisest:

1. vastupanu mõõtmine magnetiga.
2. Sarnaselt välja lülitatud magnetiga.
3. lk 1 magnetvälja joonte polaarsuse muutumisega.
4. kordab lõiget 2.

Mõõtmised on näidanud, et magnetväli võib vähendada ja suurendada takistust. Maksimaalne suurenemine oli viisteist sajandikku, katse põhjal saadud keskmine väärtus osutus palju väiksemaks( viis ppm).Selgus, et võetud meetmed ei olnud teatud avalduste tegemiseks piisavad. On ilmselge, et praegune on vaevu kokkusobimatu aine, nagu varem arvati. Tuleb mõista, miks esimese katse tulemused on vastupanu muutumise tähenduses ja suundades nii erinevad.

Esimene Hall-andur

Esimene Hall-andur kujundas professor Rowland. Samas vormis, milles seadet täna kasutatakse. Nähes, et Edwini eksperimendid( ja tema enda) ei too tulemust, soovitas lektor vanade aastate jooksul tehtud eksperimenti mudelit( kirjeldatakse Hall-anduri disaini):

1. Juhtiv ketas( või teise kujuga plaat) lülitatakse elektrilülitisse.
2. Galvanomeetri abil paiknevad joonise külgedel kaks ekvipotentsiaalset punkti.
3. Elektromagnet on sisse lülitatud, mille väljatugevusjooned asuvad ketta suhtes risti.
4. salvestab muutused galvanomeetri näidud.

pidi tuvastama muutuste märke, kui praegused voolutingimused muutuvad. Katse kasutas Hall andurit praeguses jõudluses, kuid kogemus ebaõnnestus. Arvatakse, et süüdi on liiga palju paksust. Professor tõi selle Edwini tähelepanu ja väljendas arvamust, et olukord on parandatav, kui kasutame klaasialusele paigaldatud õhukest kullakaarti( et vältida metalli deformeerumist).28. oktoobri kogemus, mis oli täiesti edukas, oli võimeline fikseerima galvanomeetri nõela stabiilse läbipaine magnetvälja mõjul voolu omaval plaadil.

Ja kuigi liikumine osutus püsivaks, kadus see kiiresti, oli võimatu seda omistada magnetilisele induktsioonile( Faraday eksperimentidest).Kiiresti välistati elektriliste solenoidide valdkonnas tekkinud viga. Horisont on ilmselt ähvardav avastus. Tähelepanuväärne on see, et mõju pöörati ümber, kui magneti polaarsus muutus. Kvantitatiivsete sõltuvuste kindlakstegemiseks oli seade veidi paranenud:

• Toiteallika tugev kokkupuude kummalgi küljel oli messingist plaatidega, hästi poleeritud ja hoolikalt joodetud kulla( 9x2 cm).
• Keskel jäi puhas metall: pindala 5,5 cm ja kogu laius. Siin kulgevad kulla kaudu magnetvälja jooned.
• Thomsoni kõrge resistentsusega galvanomeetri kontaktid lähenesid messingplaatidest võrdsete servadega.

Katse ajal mõõdeti solenoidide magnetvälja, voolu läbi plaadi ja galvanomeetrit. Tulemus salvestati joonisel kujutatud tabeli kujul, mis näitab, et Edwin Hall sai esimesed mustrid. See juhtus 12. novembril 1879.Hoolimata asjaolust, et parempoolses väljendis on väärtused, mis erinevad 8%, on selge, et numbrite järjekord on sama. Ja me kustutame kõrvalekalded katsetajate ja seadmete vigadest.

Täpsed väärtused ei ole alati olulised. Täna kasutatakse Hall-andureid aktiivselt magnetvälja puudumise või olemasolu näitajana. Näiteks pesumasinate klaviatuurides või mootorites.

Hall-efekti rakendamine praktikas

Juba ütles( vaata Hall andurid), et esimesed Hall-efekti tööstuslikud rakendused leidsid 20. sajandi teisel poolel elu. Täna on veidi üle poole segmendi osast autotööstuses. Täpsemalt - tulevad sealt arenenud tehnoloogiad teistes valdkondades. Näiteks ASIC ja ASSP moodulid.21. sajandi kümnenda aasta juhtroll kuulub Asahi Kasei Microsystems'ile( AKM), mis varustab Hall-efekti alusel mobiilseadmetele kompassi. Tööstuslikest hiiglastest täheldame Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Hall-efektil põhinevate magnetväljaandurite hulgas on 87% -line auosa.

Sageli sisaldub andur kiibis. Ajalooline esivanem on CMOS-seeria. Selle põhjal vabastati kristalliga integreeritud andurid drosseli, rooli-, jaotus- ja väntvõlli pöörlemiskiiruse mõõtmiseks. Tehnoloogia on ventiilmootorite töös väga oluline, kuna mähised tuleb teatud viisil vastavalt rootori nurga asendile lülitada. Välja suuruse mõõtmine hõlmas viimaseid 3D-andureid, mis määravad magnetite süsteemi nurga ja lineaarse asukoha. Varem registreeriti nähtava objekti olemasolu või puudumine. See on vajalik edukaks konkurentsiks magnetoresistiivse tehnoloogiaga.

Tänapäeval loetakse programmeeritavad konstruktsioonid viimaseks mooduseks, kus erinevad funktsioonid sisestatakse koodi abil. Andureid saab kasutada mitmel viisil. Näiteks tundliku ala ja magneti vastastikuse asendi järgi on režiimid:

1. Frontal. Sellisel juhul on magnet otse sensori vastas, liigub sellest eemale või läheneb sirgjoonele. Väli sõltub neljakordselt kaugusest ja kaugussignaali seadus sarnaneb hüperboolile. Seda režiimi nimetatakse unipolaarseks, pinget ei saa muuta.
2. Slip. Sel juhul on tundliku padja ja magneti vahel tühimik. See koordinaat jääb muutumatuks. Magnet võib sama telje anduriga paralleelselt libiseda. Sel juhul ei muutu väli ja väljundsignaali sõltuvus koordinaadist on Gauss-jaotuse lähedal. Pingete suund ei muutu, mistõttu nimetatakse režiimi ka unipolaarseks.
3. Bipolaarne glide. Mõnikord on vaja teada saada, millises suunas magnet on kõrvale kaldunud. Ja mitte ainult kauguse määramine. Sellisel juhul kasutatakse magnetit hobuseraua. Seega toodavad poolused vastuseid erinevatele polaarsustele. Mis andis režiimi nime.

Neid režiime kasutatakse perioodiliselt koos. Näiteks, kui teil on vaja magnetit täpselt paigutada andurite suhtes( täiturmehhanismide abil), suureneb seadme tundlikkus väljundsignaali sõltuvuse sõltuvuses järjekindlalt koordinaatidest. Kasutatakse vahelduva poolusega kolmribaga magneteid. Graafi äärmuslikud põlved on õrnad ja keskne piik hääldatakse. Mis on süsteemi täpne positsioneerimine.

Pingutugevuste tugevdamiseks, kasutades selgelt määratletud suunda, kasutatakse pooluste otsasid. Need on pehmete ferromagnetiliste sulamite metallist tükid. Kui magnet läheneb, hakkavad jooned püüdlema koha poole, moodustades tühiku, kus nad jäävad sirgeks. Kui asetate Hall anduri, suureneb süsteemi tundlikkus oluliselt. Samal eesmärgil kasutatakse bias-magneteid, mis jäävad paigale ja ei põhjusta iseseisvat aktiveerimist. Kui liikuv osa läheneb, suureneb magnetvälja tihedus järsult. See lihtsustab käivitamist ja vähendab anduri tundlikkuse nõudeid.

Lisage, et väljundsignaali andurite struktuur on analoog ja digitaalne. Viimasel juhul sobib süsteem kergesti automatiseerimisega ja mõõdetud signaal ei kaota enam täpsust, mida edastatakse töötlemiseks.