Hall-effect

Het Hall-effect is het verschijnsel van het optreden van een potentiaalverschil aan de randen van een metalen plaat onder inwerking van een magnetisch veld wanneer een elektrische stroom er doorheen wordt gevoerd. Tegenwoordig wordt het gebruikt in toetsenborden, wasmachines, auto's. Een interessant artikel over de Hall-sensoren.

De geschiedenis van de ontdekking van het

-effect Op de ontdekking door Edwin Hall van een dergelijk specifiek effect is weinig bekend. Om een ​​of andere reden wordt een dergelijke belangrijke gebeurtenis niet in de literatuur besproken. In het gedeelte over Hall-sensoren wordt vermeld dat Edwin tijdens de doctorstitel aan de Johns Hopkins University in Baltimore belangrijke opmerkingen heeft gemaakt. De gebeurtenis vond plaats in 1879.Dit is alles wat in de literatuur te vinden is over de oorsprong van de grote ontdekking.

Genoemde bron, niet zo besproken. Dit is een notitie van 19 november in het najaar American Journal of Mathematics of 1879( deel 2, nr. 3).Edwin spreekt op pagina 287-292 van de editie:

"Het afgelopen jaar heb ik veel Maxwell elektriciteit en magnetisme bestudeerd, lezingen door professor Rowland. Afzonderlijke lijnen komen in de schijnwerpers!"Het is noodzakelijk om nauwgezet op te merken dat de kracht die inwerkt op een geleider met stroom, die zich over de magnetische veldlijnen bevindt, rechtstreeks op het materiaal wordt toegepast. En als je spanning op een schijf of een vloeistof aanbrengt, zal het materiaal gehoorzaam beginnen te bewegen tot de invloed volledig, en de aard van de beweging kan consistent zijn met de vorm van de elektrische stroom, of in dissonantie daarmee zijn. Een constante magnetische kracht werkt in op de stroom geladen deeltjes. Als de stroom het pad door de dikte van het materiaal kon kiezen, zou het na een tijd terugkeren naar het vorige traject. De EMF van de bron wordt de enige echte drijvende kracht. "

De jonge wetenschapper kwam voor de geest dat de lijnen direct in strijd zijn met een aantal reeds bekende verschijnselen. Om de eenvoudige reden dat de kracht die op een draad met een stroom werkt, afhankelijk is van de stroomsnelheid van de ladingen. Daarentegen krijgen de vorm en configuratie van het materiaal een kleine waarde. Op hun beurt worden de interacties tussen de ladingen verklaard door hun omvang en teken, dat bekend is sinds de tijd van Charles Coulomb.

Na de geschriften van Maxwell komt de opmerking van Edwin over Unipolaire Inductie( Annales de Chemie et de Physique, januari 1879) in de ogen van Edwin Hall. De tekst bewees het feit dat de magneet inwerkt op een vaste geleider met een stroom van vergelijkbare kracht, alsof hij vrij opgehangen was. Hall stuurde de vraag door naar professor Rowland en ontving daarop een bericht over de tewerkstelling van een geleerde echtgenoot op dit moment. Edwin had een raadselachtige gedachte ter beschikking. Samen met professor Hall ontwikkelde hij een methodologie voor het experiment:

Als de stroom geen constant bewegingspad langs de draad onder invloed van een magnetisch veld behoudt, zal de dichtheid van ladingen aan één zijde hoger worden. Wat natuurlijk de weerstand van de geleider verhoogt. Daarom blijft het de wet van Ohm gebruiken om de hypothese te testen.

Een platte draadspiraal( ongeveer een halve millimeter in diameter) van nikkelzilver( lijkt op een Tesla-spoel) met een totale weerstand van 2 ohm, ingeklemd tussen twee dikke rubberen pads, werd gekozen om het experiment te implementeren. Blad besliste om tussen twee polen van een magneet van een enorm gebied te plaatsen. Zodat de lijnen van de veldsterkte op elk punt loodrecht op de stroomrichting staan. De elektromagneet werd aangedreven door 20 Bunsen-elementen verbonden in 4 opeenvolgende kettingen van 5 takken. De resulterende intensiteit overschreed tienduizenden malen de horizontale component van het magnetisch veld van de aarde.

Een meet Whitston-brug werd gebruikt als een sensor, waarvan de diagonaal een galvanometer van Lord Kelvin's ontwerp bevatte. De technische oplossing volgens voorlopige gegevens registreerde de verandering in de weerstand van de helix in een miljoenste van de totale waarde. Van 7 tot 11 oktober voerde Edwin Hall 13 experimenten uit, elk bestaande uit 40 metingen:

1. Weerstandsmeting met de magneet aan.
2. Zo ook met de magneet uitgeschakeld.
3. P. 1 met een verandering in de polariteit van de lijnen van het magnetisch veld.
4. Herhaalt paragraaf 2.

Metingen hebben aangetoond dat het magnetisch veld de weerstand kan verminderen en verhogen. De maximale toename was vijftienhonderdsten, de gemiddelde waarde van de resultaten van de experimenten bleek veel kleiner( vijf ppm).Het werd duidelijk dat de genomen maatregelen niet voldoende waren om bepaalde uitspraken te doen. Het is duidelijk dat de stroom nauwelijks wordt herkend als niet-samendrukbare substantie, zoals eerder werd aangenomen. Het was noodzakelijk om te begrijpen waarom de resultaten van de eerste experimenten zo verschillend zijn in betekenis en richting van verandering in weerstand.

De eerste Hall-sensor

De eerste Hall-sensor is ontworpen door professor Rowland. In dezelfde vorm waarin het apparaat vandaag wordt gebruikt. Aangezien de experimenten van Edwin( en die van hemzelf) niet tot het resultaat leiden, stelde de docent een oud model voor van het experiment dat in de loop van de jaren is uitgevoerd( het ontwerp van de Hall-sensor wordt beschreven):

1. Een geleidende schijf( of een plaat van een andere vorm) is ingeschakeld in het elektrische circuit.
2. Met behulp van een galvanometer zijn er twee equipotentiaalpunten aan de zijkanten van de figuur.
3. De elektromagneet is ingeschakeld en de veldsterktelijnen liggen in een vlak loodrecht op de schijf.
4. Registreert veranderingen in de aflezingen van de galvanometer.

. Het moest tekenen van verandering detecteren wanneer de huidige stroomomstandigheden veranderen. Het experiment gebruikte de Hall-sensor in de huidige uitvoering, maar de ervaring is mislukt. Er wordt aangenomen dat te veel dikte van de schijf de schuld is. De professor bracht dit onder de aandacht van Edwin en drukte de mening uit dat de situatie herstelbaar is als we een dunne gouden plaat gebruiken die op een glazen voet is gemonteerd( om te voorkomen dat het metaal het veld vervormt).De ervaring van 28 oktober, die volledig succesvol was, was in staat om een ​​stabiele afbuiging van de galvanometer-naald te maken onder inwerking van een magnetisch veld op een plaat met een stroom.

En hoewel de beweging permanent bleek te zijn, verdween deze snel, het was onmogelijk om dit toe te schrijven aan magnetische inductie( van Faraday's experimenten).Snel de fout uitgesloten die is geïntroduceerd door het veld van elektrische solenoïdes. Aan de horizon is duidelijk een opdoemende ontdekking. Het is opmerkelijk dat het effect omgekeerd was toen de polariteit van de magneet veranderde. Om de kwantitatieve afhankelijkheden vast te stellen, werd de inrichting enigszins verbeterd:

• Aan beide zijden was sterk contact van de stroombron voorzien van koperen platen, goed gepolijst en zorgvuldig gesoldeerd aan goud( 9x2 cm).
• Een zuiver metaal bleef in het midden: een gebied van 5,5 cm lang en over de gehele breedte. Hier gingen de lijnen van het magnetisch veld door goud.
• De Thomson hoge weerstand galvanometercontacten naderen de randen op gelijke afstand van de koperen platen.

Tijdens het experiment werden het magnetische veld van de solenoïden, de stromen door de plaat en de galvanometer gemeten. Het resultaat is vastgelegd in de vorm van een tabel in de figuur, die laat zien dat Edwin Hall de eerste patronen wist te bemachtigen. Het gebeurde op 12 november 1879.Ondanks het feit dat de uitdrukking rechts waarden heeft die verschillen met 8%, is het duidelijk dat de volgorde van de nummers hetzelfde is. En we zullen de afwijkingen op de fouten van onderzoekers en apparatuur afschrijven.

Exacte waarden zijn niet altijd belangrijk. Tegenwoordig worden Hall-sensoren actief gebruikt als indicatoren voor de afwezigheid of aanwezigheid van een magnetisch veld. Bijvoorbeeld in toetsenborden of motoren van wasmachines.

Toepassen van het Hall-effect in de praktijk

Al eerder gezegd( zie Hall-sensoren) hebben de eerste industriële toepassingen van het Hall-effect hun weg gevonden naar het leven in de tweede helft van de 20e eeuw. Vandaag is iets meer dan de helft van het marktaandeel in de auto-industrie. Preciezer: daar komen geavanceerde technologieën op andere gebieden. Bijvoorbeeld ASIC- en ASSP-modules. De leidende rol voor het tiende jaar van de 21ste eeuw is van Asahi Kasei Microsystems( AKM), die kompassen levert voor mobiele apparaten op basis van het Hall-effect. Onder de industriële reuzen merken we Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Onder de magnetisch veld sensoren op basis van het Hall-effect bezetten een ereparot van 87%.

Vaak is de sensor inbegrepen in de chip. De historische voorouder is de CMOS-serie. Op basis daarvan werden in het kristal geïntegreerde sensoren vrijgegeven om de hoek van de rotatiesnelheid van gas, stuur, distributie en krukas te meten. De technologie is van groot belang bij de bediening van klepmotoren, waarbij de wikkelingen op een bepaalde manier moeten worden geschakeld volgens de hoekpositie van de rotor. De meting van de grootte van het veld omvatte de nieuwste 3D-sensoren die de hoek- en lineaire positie van het magnetenstelsel bepalen. Eerder was het eenvoudig het feit dat een object al dan niet zichtbaar was. Dit is nodig voor een succesvolle concurrentie met magnetoresistieve technologie.

Tegenwoordig worden programmeerbare constructies beschouwd als de nieuwste mode, waarbij verschillende functies worden ingevoerd door middel van code. Sensoren kunnen op verschillende manieren worden gebruikt. Op basis van de onderlinge positie van het gevoelige gebied en de magneet zijn er bijvoorbeeld modi:

1. Frontal. In dit geval bevindt de magneet zich recht tegenover de sensor, verwijdert deze van de sensor of nadert in een rechte lijn. Het veld is kwadratisch afhankelijk van de afstand en de wet van het uitgangssignaal van de afstand lijkt op een hyperbool. Deze modus wordt unipolair genoemd, de spanning kan de richting niet veranderen.
2. Slip. In dit geval is er een opening tussen de gevoelige pad en de magneet. Deze coördinaat blijft ongewijzigd. Een magneet kan evenwijdig aan de sensor op dezelfde as schuiven. In dit geval verandert het veld niet en is de afhankelijkheid van het uitgangssignaal op de coördinaat in de buurt van de Gauss-verdeling. De richting van spanning verandert niet, daarom wordt de modus ook unipolair genoemd.
3. Bipolar Glide. Soms is het nodig om uit te vinden in welke richting de magneet is afgebogen. En niet alleen de afstand bepalen. In dit geval wordt de magneet gebruikt als hoefijzer. Dienovereenkomstig produceren de polen responsen met verschillende polariteiten. Wat gaf de naam van het regime.

Deze modi worden periodiek in combinatie gebruikt. Wanneer u bijvoorbeeld de magneet ten opzichte van de sensoren nauwkeurig moet positioneren( met actuators), neemt de gevoeligheid van de apparatuur toe met een steile eigenschap van de afhankelijkheid van het uitgangssignaal op de coördinaten. Er worden driebandsmagneten met wisselstokken gebruikt. De extreme afdalingen van de grafiek zijn zacht en de centrale piek is uitgesproken. Wat is bereikt nauwkeurige positionering van het systeem.

Om de treklijnen te versterken en een duidelijk gedefinieerde richting te geven, worden paaluiteinden gebruikt. Dit zijn stukjes metaal uit zachte ferromagnetische legeringen. Naarmate de magneet nadert, beginnen de lijnen naar de plaats te streven en vormen een opening waar ze recht blijven. Als u de Hall-sensor daar plaatst, neemt de gevoeligheid van het systeem aanzienlijk toe. Voor hetzelfde doel worden voorinstelmagneten gebruikt, die op hun plaats blijven en geen onafhankelijke bediening veroorzaken. Naarmate het bewegende deel nadert, neemt de dichtheid van het magnetische veld sterk toe. Dit vereenvoudigt het triggeren en vermindert de gevoeligheid van de sensor.

Voeg hier aan toe dat de structuur van de outputsignaalsensoren analoog en digitaal is. In het laatste geval past het systeem gemakkelijk in de automatisering en verliest het gemeten signaal niet langer de nauwkeurigheid en wordt het overgedragen voor verwerking.