Hall-effektus

A Hall hatás az a jelenség, hogy a fémlemez szélein mágneses mező hatására potenciális különbség lép fel, amikor egy elektromos áramot vezetünk át rajta. Ma használják billentyűzet, mosógép, autó.Érdekes cikk a Hall érzékelőiről.

Az

hatás felfedezésének története Edwin Hall ilyen jellegű felfedezésénél keveset tudunk. Valamilyen oknál fogva az ilyen jelentős esemény nem foglalkozik az irodalomban. A Hall szenzorok részében megemlítik, hogy Edwin a Baltimore-i Johns Hopkins Egyetem doktori fokozata során fontos észrevételeket tett. Az esemény 1879-ben történt. Mindez megtalálható az irodalomban a nagy felfedezés eredetére vonatkozóan.

Megemlített forrás, nem így beszélve. Ez egy november 19-én kelt jegyzet, az American Journal of Mathematics ősszel 1879-ben( 2. kötet, 3. szám).Edwin az

kiadás 287-292. Oldalain beszél: „Az elmúlt évben sok Maxwell villamos energiát és mágnesességet tanultam, Rowland professzor előadásai. Külön vonalak találkoznak a reflektorfényben!„Szükséges, hogy gondosan vegye figyelembe, hogy a mágneses térvonalakon átáramló áramú vezetőre ható erő közvetlenül az anyagra kerül.És ha feszültséget alkalmaz egy lemezre vagy egy folyadékra, akkor az anyag engedelmesen elkezd mozogni a teljes befolyásra, és a mozgás jellege összhangban lehet az elektromos áram alakjával vagy disszonanciában. Egy állandó mágneses erő hat a feltöltött részecskék áramlására. Ha az áram tudta, hogyan kell kiválasztani az utat az anyag vastagságán, akkor egy idő múlva visszatér az előző útjához. A forrás EMF-je az egyetlen valódi hajtóerő. ”

A fiatal tudós észrevette, hogy a vonalak közvetlenül ellentétesek néhány már ismert jelenséggel. Egyszerű okból, hogy az áramra ható erő befolyásolja a töltések áramlási sebességét. Ezzel ellentétben az anyag alakja és konfigurációja kis értéket kap. A díjak közötti kölcsönhatások viszont nagyságukkal és jelükkel magyarázhatók, ami Charles Coulomb napja óta ismert.

A Maxwell írásait követően Edwin az unipoláris indukcióra vonatkozó megjegyzése( Annales de Chemie et de Physique, 1879. január) az Edwin Hall szemébe néz. A szöveg bebizonyította, hogy a mágnes rögzített vezetőre hasonló erővel rendelkező árammal működik, mintha szabadon felfüggesztenék. Hall továbbküldte a kérdést Rowland professzornak, és válaszként megkapta a tudós férje foglalkoztatásáról szóló üzenetet. Edwin egy gondolatra méltó gondolat volt. Professzorcsarnokkal együtt kifejlesztett egy módszertant a kísérlethez:

Ha az áram nem tart fenn állandó vezetési utat a huzal mentén egy mágneses mező hatására, a töltési sűrűség az egyik oldalra magasabb lesz. Ez természetesen növeli a vezető ellenállását. Ezért továbbra is az Ohm törvényét kell alkalmazni a hipotézis tesztelésére.

A kísérlet végrehajtására egy lapos hélixet( kb. Fél milliméter átmérőjű) nikkel-ezüst( egy Tesla-tekercshez hasonlít), amelynek teljes ellenállása 2 ohm, két vastag gumi párna között választották ki. A lap úgy döntött, hogy egy hatalmas terület mágnesének két pólusa közé kerül. Annak érdekében, hogy az egyes pontokon a térerősség vonalai merőlegesek az áramlás irányára. Az elektromágneset 20 Bunsen elem táplálta, amely 4 egymást követő láncban, 5 ágból állt. A kapott intenzitás meghaladta a Föld mágneses mezőjének tízezer-szeresét.

A mérő Whitston-híd szenzorként került alkalmazásra, amelynek átlója magában foglalja az Úr Kelvin tervének galvanométerét. Az előzetes adatok szerint a technikai megoldás rögzítette a hélix ellenállásának változását a teljes érték millió másodpercében. Október 7-11. Között Edwin Hall 13 kísérletet végzett, melyek mindegyike 40 mérésből állt:

1. ellenállásmérés a mágnesen.
2. Hasonlóan a kikapcsolt mágneshez.
3. 1. oldal a mágneses tér vonalak polaritásának változásával.
4. megismétli a 2. bekezdést.

A mérések azt mutatták, hogy a mágneses mező csökkentheti és növelheti az ellenállást. A maximális növekedés tizenöt század volt, a kísérletek alapján az átlagos érték sokkal kisebb( 5 ppm).Nyilvánvalóvá vált, hogy a megtett intézkedések nem elégek voltak bizonyos kijelentések meghozatalához. Nyilvánvaló, hogy az áramot alig felismerik nem összenyomható anyagként, ahogy azt korábban is hitték. Szükséges volt megérteni, hogy az első kísérletek eredményei annyira különbözőek az ellenállás változásának jelentésében és irányában.

Az első Hall-érzékelő

Az első Hall-érzékelőt Rowland professzor tervezte. Ugyanabban a formában, amelyben a készüléket ma használják. Látva, hogy Edwin kísérletei( és sajátjai) nem eredményeznek eredményt, az előadó egy régi modellt javasol az évek során elvégzett kísérletre( a Hall-érzékelő kialakítása leírva):

1. A villamos áramkörben egy vezetőképes lemez( vagy egy másik alakú lemez) van bekapcsolva.
2. Egy galvanométer segítségével két egyenlő potenciálpont található az ábra oldalán.
3. Az elektromágnes be van kapcsolva, amelynek a térerősség vonalai a lemezre merőleges síkban vannak.
4. A változásokat a galvanométer leolvasásaiban rögzíti. Az aktuális áramlási feltételek változásakor a változás jeleit kellett észlelni. A kísérlet a Hall érzékelőt használja az aktuális teljesítményben, de a tapasztalat nem sikerült.Úgy véljük, hogy a lemez túl nagy vastagsága hibás. A professzor felhívta Edwin figyelmét, és úgy vélte, hogy a helyzet javítható, ha egy vékony aranylapot használunk üvegalapra szerelve( hogy megakadályozzák a fém deformálódását).Az október 28-i tapasztalat, amely teljesen sikeres volt, képes volt a galvanométer tű stabil alakváltozását rögzíteni egy mágneses mező hatására egy árammal rendelkező lemezen.

   És bár a mozgalom állandónak bizonyult, gyorsan eltűnt, nem lehetett ezt a mágneses indukciónak tulajdonítani( Faraday kísérleteiből).Gyorsan kizárta az elektromos mágnesszelepek által bevezetett hibát. A horizonton nyilvánvalóan fenyegető felfedezés. Figyelemre méltó, hogy a hatás megfordult, ahogy a mágnes polaritása megváltozott. A mennyiségi függőségek megállapítása érdekében az eszközt kissé javították:

   • Az erőforrás erős érintkezése mindkét oldalon rézlemezekkel, jól csiszolt és óvatosan aranyra( 9x2 cm) forrasztott.
   • Egy tiszta fém maradt a központban: 5,5 cm hosszú és a teljes szélességben. Itt a mágneses tér vonalai áthaladtak az aranyon.
   • A Thomson nagy ellenállású galvanométer érintkezői a sárgarézlemezekkel egyenlő távolságra közelítettek.
   

   csarnok mérési eredményei

   A kísérlet során mértük a mágnesszelepek mágneses terét, a lemezen átáramló áramokat és a galvanométert. Az eredményt az ábrán bemutatott táblázat formájában rögzítettük, ami azt mutatja, hogy Edwin Hallnak sikerült elérnie az első mintákat. Ez 1879. november 12-én történt. Annak ellenére, hogy a jobboldali kifejezés 8% -os értéket mutat, nyilvánvaló, hogy a számok sorrendje azonos.És le kell írnunk a kísérletezők és a berendezések hibáinak eltéréseit.

   A pontos értékek nem mindig fontosak. Ma a Hall érzékelőket aktívan használják a mágneses mező hiányának vagy jelenlétének indikátoraként. Például a mosógép billentyűzetén vagy motorjain.

   A csarnokhatás alkalmazása a gyakorlatban

   Már azt mondta( lásd Hall-érzékelők), hogy a Hall-effektus első ipari alkalmazásai a 20. század második felében kerültek az életbe. Ma már a szegmensrészek több mint fele az autóiparban van. Pontosabban - a fejlett technológiák más területekről származnak. Például ASIC és ASSP modulok. A 21. század tizedik évének vezető szerepe az Asahi Kasei Microsystems( AKM), amely a Hall effektus alapján szállítja a mobil eszközök iránytűit. Az ipari óriások közül Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. A Hall hatásán alapuló mágneses térérzékelők között 87% -os tiszteletbeli részesedés van.

   Az érzékelő gyakran szerepel a chipben. A történelmi őse a CMOS sorozat. Ennek alapján a kristályba integrált érzékelők felszabadultak a fojtószelep, a kormányzás, az elosztás és a főtengely forgási sebességének mérésére. A technológia nagy jelentőséggel bír a szelepmotorok működtetésében, ahol a tekercseket a rotor szöghelyzetével bizonyos módon kell kapcsolni. A mező nagyságának mérése magában foglalta a legújabb 3D-érzékelőket, amelyek meghatározzák a mágnesek rendszerének szögletes és lineáris helyzetét. Korábban rögzítették a látványban lévő tárgy jelenlétének vagy hiányának tényét. Ez szükséges a magnetoresisztikus technológiával való sikeres versenyhez.

   Ma a programozható konstrukciók a legújabbak, ahol különböző funkciók kerülnek beírásra kód segítségével. Az érzékelők különböző módon használhatók. Például az érzékeny terület és a mágnes kölcsönös pozíciója szerint vannak módok:

   1. Frontal. Ebben az esetben a mágnes közvetlenül az érzékelővel szemben helyezkedik el, elhúzva, vagy egyenes vonalban közeledve. A mező kvadratikusan függ a távolságtól, és a távolsági kimeneti jel törvénye egy hiperbolához hasonlít. Ezt az üzemmódot unipolárisnak nevezik, a feszültség nem változtathatja meg az irányt.
   2. Slip. Ebben az esetben van egy rés az érzékeny lap és a mágnes között. Ez a koordináta változatlan marad. A mágnes ugyanazon a tengelyen az érzékelővel párhuzamosan csúszik. Ebben az esetben a mező nem változik, és a kimeneti jel függése a koordinátánál közel van a Gauss eloszláshoz. A feszültség iránya nem változik, ezért az üzemmódot unipolárisnak is nevezik.
   3. Bipolar Glide. Néha szükség van arra, hogy megtudja, hogy a mágnes milyen irányban elhajlott.És nem csak a távolság meghatározása. Ebben az esetben a mágnes patkó.Ennek megfelelően a pólusok különböző polaritású válaszokat adnak. Mi adta a rendszer nevét.

   Ezeket az üzemmódokat rendszeresen kombinálják. Például amikor a mágneset pontosan el kell helyezni az érzékelőkhöz képest( működtetőszerkezetekkel), a berendezés érzékenysége a kimeneti jel függőségének meredek jellemzőjével növekszik a koordinátákon. Három sávos mágneseket használnak váltakozó pólusokkal. A gráf szélsőséges leereszkedése gyengéd, és a központi csúcs kifejeződik. Mi érhető el a rendszer pontos elhelyezéséről.

   A feszültségvonalak megerõsítése érdekében világosan meghatározott irányt adva a póluscsúcsokat használjuk. Ezek puha ferromágneses ötvözetekből készült fémdarabok. Ahogy a mágnes közeledik, a vonalak elkezdenek törekedni a hely felé, és olyan rést képeznek, ahol egyenesek maradnak. Ha a Hall érzékelőt ott helyezi, a rendszer érzékenysége jelentősen megnő.Ugyanezen célból bias mágneseket használnak, amelyek a helyükön maradnak és nem okoznak független működést. Ahogy a mozgó rész közeledik, a mágneses tér sűrűsége élesen nő.Ez leegyszerűsíti a kioldást és csökkenti az érzékelő érzékenységi követelményeit.

   Adja hozzá, hogy a kimeneti jel érzékelői szerkezete analóg és digitális. Ez utóbbi esetben a rendszer könnyen összekapcsolódik az automatizálással, és a mért jel már nem veszíti el a pontosságot, feldolgozásra kerül.