Hallův jev – co to je, aplikace pro proudové a polohové snímače, vzorce, kvantové, anomální a další typy – Interlavka

Elektrické a magnetické pole existují ve vzájemném úzkém vztahu. Mnoho slavných fyziků zasvětilo svůj život studiu této souvislosti, hledání a popisu zákonitostí, na kterých je založena, i způsobům aplikace získaných teoretických informací v praxi. Jedním z těchto vědců byl Edwin Herbert Hall, vynikající americký badatel a autor cenných vědeckých materiálů. Během jednoho ze svých experimentů objevil neobvyklý jev, který se nakonec stal známým jako „Hallův efekt“. Dnes je široce používán v domácím a počítačovém vybavení, elektrickém vybavení automobilů, řídicích a měřicích přístrojích a samozřejmě výzkumných laboratořích. Jaká je tedy fyzikální podstata Hallova jevu a proč neztrácí na aktuálnosti téměř století a půl po svém objevení?

Co je Hallův efekt?

Edwin Hall, procházející proudem přes tenkou zlatou desku umístěnou mezi dvěma magnety, si všiml, že nosiče náboje (elektrony) byly vychýleny od centrální osy k jednomu z okrajů vodiče. Na této straně tedy vzniká záporný náboj a na opačné straně kladný náboj. Výsledný potenciálový rozdíl se nazývá Hallovo napětí. Je přísně kolmá na proud ve vodiči a vektor magnetické indukce. Tento jev je pozorován nejen u zlata, ale také u jakýchkoli vodivých a polovodivých materiálů umístěných v magnetickém poli.

Pokud analyzujeme fyzikální podstatu, zjistíme, že původem akumulace náboje na okrajích vodiče je Lorentzova síla, kterou magnetické pole působí na nabitou částici. Pod jeho vlivem se budou elektrony hromadit na okraji vodiče, dokud jejich celkový náboj nevyrovná stávající magnetické pole.

Ve stejném případě, když je vnější magnetické pole příliš silné, systém překročí limity stability a nabité částice se začnou pohybovat po cykloide. Tomu se říká nesplnění kritéria maličkosti.

druhy

Digitální Hallovy senzory se dělí na unipolární a bipolární

Kromě Hallova jevu, jehož zákony popisuje klasická fyzika a jsou pozorovány ve všech experimentech s normálními nebo normálními podmínkami, existuje několik dalších druhů jevu vzniku rozdílu potenciálů ve vodiči.

Abnormální

Jakýkoli případ akumulace náboje na okraji vodiče, ve kterém je vyloučen vliv vnějších magnetických polí, se nazývá anomální. Nezbytnou podmínkou je kolmý směr rozdílu potenciálů vůči směru proudu.

Důvody, proč dochází k anomálnímu Hallovu jevu, jsou obvykle zakořeněny v magnetizaci kovu vodiče nebo ve vlastnostech jeho molekulární struktury.

Kvantová

Zákony vzniku potenciálových rozdílů v „kvantovém světě“ jsou studovány na příkladu plochého vodiče typu DEG (dvourozměrný elektronový plyn). Kvantum je pozorováno v silných magnetických polích a při nízkých teplotách. Vyjadřuje se v kvantizaci Hallova odporu, který má v grafu jasně definované „plošinové úseky“. Čím vyšší je odpor, tím delší jsou oblasti plató a tím větší je rozdíl mezi nimi.

Objev tohoto jevu je jedním z hlavních milníků moderní kvantové fyziky. Klaus von Klitzing, objevitel kvantového Hallova jevu, získal v roce 1985 Nobelovu cenu.

Frakční

Mnoho předních vědců se v 80. letech začalo zajímat o von Klitzingův výzkum a pokračovalo ve studiu vlastností potenciálního rozdílu v DEG. Největšího úspěchu dosáhli Daniel Tsui a Horst Störmer, kteří analyzovali mezilehlé úseky mezi „odporovými plošinami“ a došli k závěru, že při výrazném zvýšení intenzity magnetických polí lze „náhorní řezy“ získat i při zlomkových hodnotách hladin Landauových elektronů, například při n=1/3; n=2/5; n=3/7 atd.

Tento jev se nazýval frakční kvantový Hallův jev a jeho objevitelé obdrželi v roce 1998 Nobelovu cenu za fyziku. V současné době probíhá rozsáhlý výzkum kvantových a frakčních kvantových forem tohoto efektu.

Roztočit

V letech 2003–2004 bylo studováno chování elektronů s antiparalelními spiny ve vodičích izolovaných od jakýchkoli magnetických polí. Teoretickým základem studie byly teorie Vladimíra Perela předložené v roce 1971. V praxi se osvědčily, když bylo možné zaznamenat odchylky těchto skupin elektronů k opačným hranám vodiče. Pohyb nabitých částic připomíná první typ efektu – anomální.

Vzorce a výpočty

Jelikož je tento efekt založen na Lorentzově síle, začíná matematický popis výsledného rozdílu potenciálů právě její definicí. Lorentzova síla je určena z následujícího výrazu:

• q je náboj částice;
• v — rychlost pohybu částic;
• B je vnější magnetické pole.

Elektrické pole tvořené náboji vytvořenými na okrajích vodiče ovlivňuje i elektrony pohybující se v průřezu. Síla tohoto vlivu je popsána takto:

• q je náboj částice;
• E je síla vnitřního elektrického pole.

Když potenciálový rozdíl vyrovnává magnetické pole, systém je považován za stabilní. V tomto případě je podmínka F splněna._л=F_el. Platí tedy i následující dvě tvrzení:

Rychlost elektronů se obvykle určuje pomocí vzorce proudové hustoty:

• q je náboj částice;
• n je počet částic na jednotku objemu.

Nyní lze elektrické pole E popsat pomocí výrazu:

Pojďme najít potenciální rozdíl:

U_н=dE=djB/qn, kde d je tloušťka vodivé desky.

Tento výraz lze zjednodušit pomocí tzv. „Hallovy konstanty“, která má tvar R=1/qn. Konečný vzorec pro potenciální rozdíl bude vypadat takto:

To znamená, že rozdíl potenciálů je přímo úměrný tloušťce vodiče, magnetické indukci a hustotě proudu.

přihláška

Protože tento jev umožňuje adekvátně posoudit koncentraci a pohyblivost nabitých částic, vysledovat jasný vztah mezi silou proudu, vnějším magnetickým polem a chováním elektronů v materiálu, našel široké uplatnění v praxi. Obecně lze přístroje a přístroje, jejichž princip činnosti je založen na Hallově jevu, rozdělit do dvou kategorií: řídicí a měřicí zařízení pro materiály s různou vodivostí a elektronické senzory.

Ve vodičích a polovodičích

V přesném strojírenství se daný efekt používá k určení elektromagnetických vlastností a molekulární struktury materiálu. U vodičů se tyto parametry posuzují analýzou pohybu elektronů pod vlivem proudu a magnetických polí, zatímco u polovodičů se se stejnou účinností analyzuje jak chování elektronů, tak i tvorba elektronových děr. Metoda van der Pauw se stala široce používanou, což umožňuje určit:

• typ polovodiče (p nebo n);
• koncentrace nabitých částic;
• Hallova pohyblivost nabitých částic.

Metoda je použitelná pro jakýkoli plochý vzorek libovolného tvaru, jehož tloušťka je mnohem menší než délka zkoumané oblasti. Je široce používán v primárních výpočtech polovodičových zařízení: diod, tranzistorů, tyristorů atd.

Směr Hallova pole ve vodičích závisí na jejich typu

Hallovy snímače – účel a typy

Nezávislá zařízení a prvky systémů, které využívají nás zajímavého efektu k měření magnetoelektrických veličin, se nazývají Hallovy senzory. Jsou rozděleny do dvou velkých skupin: analogové a digitální. Analogové snímače jsou velmi jednoduché a obvykle sestávají z izolovaného zdroje magnetického pole, jehož účinek na vodič přímo závisí na vzdálenosti a polaritě. Takové senzory se používají k přeměně magnetické indukce na rozdíl potenciálů.

Jsou nezbytné pro měření magnetických polí. Pokud indukce pole překročí nastavenou prahovou hodnotu senzoru, generuje digitální signál „1“, jinak je hodnota signálu „0“. Vzhledem k přítomnosti „slepých zón“, ve kterých je indukce příliš nízká na to, aby senzor fungoval, není jeho použití vždy vhodné. Digitální Hallovy senzory se dělí na:

• unipolární – generuje výstupní signál v magnetickém poli libovolné polarity a vypne se při poklesu indukce;
• bipolární – přepne výstupní signál z „1“ na „0“ při změně polarity magnetického pole.

Hallovy senzory najdeme téměř v každé dostatečně složité elektronice – od bezdotykových spínačů po chytré telefony, od automobilových motorů po iontové motory vesmírných lodí. Schopnost reagovat na vzhled a změnu magnetických polí učinila zařízení nepostradatelným v elektronice a elektromechanice a absence přímé fyzikální interakce zajistila vysokou spolehlivost a přesnost, odolnost proti opotřebení a životnost senzorů.

Výroba proudového snímače na bázi Hallova jevu

Pokud máte alespoň základní dovednosti v práci s elektronickými součástkami, snadno si sami navrhnete proudový snímač. S jeho pomocí bude možné bezkontaktně určit přítomnost elektrického proudu ve vodiči. Zde je úplný seznam materiálů a nástrojů, které budete potřebovat:

• digitální Hallův senzor v „tranzistorovém“ pouzdře, například A3144 nebo US1881;
• feritový kroužek s vnějším průměrem minimálně 25 mm (lze zakoupit v obchodě s rádiovými součástkami nebo odebrat ze starého napájecího zdroje z energeticky úsporných žárovek nebo PC);
• elektrická krokosvorka;
• kyanoakrylátové lepidlo;
• rezistor a kondenzátor s nominálními hodnotami 10 kOhm a 0,1 μF;
• Arduino deska, prkénko, dráty – pro dočasnou montáž prkénka;
• Arduino deska, pájka, kalafuna, páječka, dráty – pro povrchovou montáž;
• ruční skládačka se sadou pil, jehlových pilníků, brusného papíru, kousků gumy nebo hadrů.

Otočte tělo snímače značkou směrem k vám. Číslování pinů zleva doprava je klasické: 1, 2, 3. Mezi první a druhý pin nainstalujte keramický kondenzátor o kapacitě 0,1 μF (100 nF). Mezi první a třetí větev nainstalujte odpor 10 kOhm. Nyní připojíme senzor k desce Arduino pomocí tohoto schématu:

• „1“ — pro kontakt 5V+;
• „2“ — ke kontaktu GND;
• „3“ – na digitální výstup.

Instalace keramického kondenzátoru mezi první a druhou větev není nutná, ale doporučuje se pro stabilizaci vstupního napětí.

Opatrně rozřízněte feritový kroužek na polovinu pomocí ruční skládačky. Materiál je tvrdý, ale docela křehký, takže budete muset pracovat opatrně.. Očistěte výsledné půlkroužky od třísek a drsnosti a poté je přilepte ke straně „čelisti“ krokosvorky tak, aby se konce půlkroužků po stlačení sotva dotýkaly. Na jeden konec přilepte kus silné látky nebo gumy a na druhý pouzdro digitálního Hallova senzoru.

Nyní, umístěním vodiče do vyříznutého feritového prstence a průchodem elektrického proudu skrz něj, budete moci pozorovat vzhled příchozího signálu na desce Arduino.

Dnes je klasický Hallův jev plně pochopen a slouží jako teoretický základ pro více či méně složitá elektronická zařízení. Probíhá výzkum specifických odrůd Hallova jevu, včetně hledání způsobů, jak je využít v nové generaci elektrických, kapalných a plynových motorů.

Inspirativní trasy, neobvyklé recepty, recenze zařízení, sportovní novinky, make-up tutoriály, analýza vědeckých teorií, doporučení pro výběr auta, recenze výstav – v Zen můžete psát texty a natáčet videa na jakékoli téma! A chytré algoritmy vám vždy pomohou najít publikum, které bude mít zájem.

Připojte se ke komunitě zenových spisovatelů a uvolněte svůj tvůrčí potenciál naplno.
Vytvořte kanál

O zenu

tolik uživatelů se denně přihlásí do Zen
tolik tvůrců sdílí svůj obsah každý týden
Možnost výdělku
vydělávat příjmy z monetizace a nativní reklamy
můžete se vyjádřit v krátkých videích, dlouhých videích, příspěvcích a dlouhých čteních
24 hodin denně
Tým podpory je připraven nepřetržitě odpovídat na vaše otázky

Populární témata v zenu

Technologie Sport Jídlo Krása a styl Cestování Věda Ekonomika Auto

4,5M

Přesně tolik uživatelů odebírá zenové autory, kteří vytvářejí recenze zařízení, vytvářejí průvodce výběrem a používáním gadgetů, sdílejí novinky ze světa technologií a mnoho dalšího.

Přes 10 milionů

přihlášeni k odběru sportovních autorů v zenu, kteří sdílejí novinky, užitečné tipy na zdravý životní styl nebo zajímavosti z biografií sportovců

Přes 20 milionů

sledovat gastro kanály v zenu. Jídlo je jedním z nejoblíbenějších témat na platformě. Foodblogeři nejen sdílejí recepty na vaření, ale také recenzují kavárny a restaurace, mluví o tradicích a zvycích různých zemí

Přes 7 milionů

pravidelně hledejte stylové tipy a užitečné životní triky pro péči o sebe, sledujte tutoriály líčení a seznamte se s nejnovějšími módními trendy od zenových autorů

Přes 6,6 milionů

přihlášeni k odběru cestovatelských kanálů v zenu, které sdílejí recenze atrakcí, jejich dojmy, doporučení pro výběr tras a další inspirativní cestovatelský obsah

12M

studijní obsah v zenu od odborníků, kteří mluví o fascinujících vědeckých teoriích a objevech, inovativních technologiích a úžasných experimentech

3M

zajímají se o finanční a investiční témata, čtou recenze bankovních produktů, sledují trendy na trhu nemovitostí a cenných papírů

9M

neustále se zajímají o to, jak vybrat auto, skútr nebo třeba loď, zajímají se o osobní zkušenosti a životní hacky pro provozování osobní dopravy od autorů Zen

Jak vytvořit kanál

Buďte sami sebou nebo zkoušejte nové věci
vytvářet obsah ve svém stylu – a v jakémkoli formátu

Odbornost, kvalita, upřímnost a jedinečný styl jsou klíčem k srdci publika. My v Zen podporujeme ty nejodvážnější experimenty. K tomu máte ve svém inventáři různé formáty – namíchejte si je podle svého vkusu: krátká vertikální videa, články s ilustracemi, horizontální videa.

Spolupracujte se Zenem
účastnit se pravidelných projektů platformy

Zen neustále podporuje komunitu autorů soutěžemi, akcemi a speciálními projekty. Můžete se jich také zúčastnit spolu s dalšími autory, získat skvělé zkušenosti a rozšířit publikum svého kanálu. Aktuální aktivity můžete sledovat na kanálu „Zen pro autory“.

Zpeněžit svůj obsah
připojit monetizaci nebo dělat nativní reklamu

Existují dva způsoby, jak zpeněžit kanál v Zen:

Automatická monetizace – přerozdělení výnosů ze Zen reklamy mezi autory v závislosti na zobrazení obsahu v konkrétním kanálu. Více o monetizaci naleznete zde.

Nativní reklama – budete moci přímo spolupracovat s inzerenty a přilákat velké značky, když váš kanál získá velké a loajální publikum. Další tipy k nativní integraci naleznete zde.