Adiabatikus negatív és pozitív Hall-effektus

A mágneses térbe helyezett áramvezető vezetékben az elektromos áram és a mágneses tér irányaira merőleges irányban feszültség indukálódik. Az ilyen feszültség megjelenésének jelenségét Hall-effektusnak nevezzük, magát az indukált feszültséget pedig Hall-feszültségnek.

1879-ben Edwin Hall amerikai fizikus (1855-1938) a disszertációján dolgozva érdekes hatást fedezett fel. Fogott egy vékony, egyenáramot szállító aranylemezt, és a lemez síkjára merőleges mágneses térbe helyezte. Ebben az esetben egy további elektromos mező jelent meg a lemez szélei között. Később ezt a jelenséget a felfedezőről nevezték el. A Hall-effektus széleskörű alkalmazásra talált: mágneses tér indukciójának mérésére (Hall szenzorok), valamint vezető anyagok fizikai tulajdonságainak vizsgálatára szolgál (a Hall-effektus segítségével kiszámítható az áramhordozók koncentrációja, ill. jelük).

Hall áramhatás érzékelő modul ACS712 5A

Kétféle elektromos áramhordozó létezik: az egyik irányba mozgó pozitív és az ellenkező irányba mozgó negatív hordozók.

A mágneses téren keresztül egy bizonyos irányban mozgó negatív hordozók olyan erőt tapasztalnak, amely hajlamos eltéríteni mozgásukat az egyenes útról. Az ugyanazon a mágneses téren át ellentétes irányban haladó pozitív hordozók ugyanabba az irányba térnek el, mint a negatív hordozók.

A Lorentz-erők hatására az összes áramhordozó ilyen eltérése következtében a vezető azonos oldalára vivőpopuláció gradiens jön létre, és a vezető egyik oldalán az egységnyi térfogatra jutó hordozók száma nagyobb lesz, mint a másikon.

Az alábbi ábra szemlélteti ennek a folyamatnak a teljes eredményét, ha kétféle hordozó van egyenlő számban.

Itt a kétféle hordozó által generált potenciál gradiensek egymás ellen irányulnak, így hatásuk kívülről nézve nem észlelhető. Ha az egyik típusú vivő több mint egy másik típusú hordozó, akkor a vivőpopuláció gradiens Hall gradiens potenciált generál, aminek eredményeként a vezetékre adott Hall feszültség detektálható.

Adiabatikus negatív Hall-effektus. Ha csak az elektronok töltéshordozók, akkor a hőmérsékleti gradiens és az elektromos potenciálgradiens ellentétes irányba mutat.

Adiabatikus Hall-effektus. Ha csak a lyukak töltéshordozók, akkor a hőmérsékleti gradiens és az elektromos potenciál gradiens egy irányba mutat

Ha a vezetéken áthaladó áram a Hall feszültség hatására lehetetlen, akkor között Lorentz erői által és a Hallon keresztül létrejön a feszültségegyensúly.

Ebben az esetben a Lorentz-erők hajlamosak egy hordozópopuláció gradienst létrehozni a vezeték mentén, míg a Hall feszültség hajlamos az egyenletes populáció eloszlás helyreállítására a vezeték teljes térfogatában.

A Hall elektromos tér d áram- és mágneses tér irányára merőleges erősségét (az egységnyi vastagságra eső feszültséget) a következő képlet határozza meg:

Fz = KzVJ,

ahol K.z – Hall-együttható (elője és abszolút értéke az adott körülményektől függően jelentősen változhat); B - mágneses indukció és J a vezetőben folyó áram sűrűsége (az áram értéke a vezető keresztmetszeti területének egységére vonatkoztatva).

Az ábrán egy olyan anyaglap látható, amely erős i áramot vezet, amikor végei egy akkumulátorhoz vannak csatlakoztatva. Ha megmérjük az ellentétes oldalak közötti potenciálkülönbséget, akkor nullát ad, ahogy a bal oldali ábra mutatja. A helyzet megváltozik, ha a B mágneses teret a lapban lévő áramerősségre merőlegesen alkalmazzuk, látni fogjuk, hogy nagyon kicsi V3 potenciálkülönbség jelenik meg a szemközti oldalak között, ahogy az a jobb oldali ábrán látható.

Az „adiabatikus” kifejezés olyan állapotok leírására szolgál, amikor nincs hőáramlás kívülről a vizsgált rendszerbe vagy onnan.

A vezeték mindkét oldalán szigetelőanyag rétegek vannak, hogy megakadályozzák a hő és az áram keresztirányú áramlását.

Mivel a Hall feszültség a hordozók egyenetlen eloszlásától függ, a testen belül csak akkor tartható fenn, ha az energiát valamilyen, a testen kívüli forrásból tápláljuk.Ez az energia egy elektromos mezőből származik, amely kezdeti áramot hoz létre az anyagban. Egy galvanomágneses anyagban két potenciálgradiens jön létre.

A kezdeti potenciálgradiens a kezdeti áramsűrűség szorozva az anyag ellenállásával, a Hall potenciál gradiens pedig a kezdeti áramsűrűség és a Hall-együttható szorzata.

Mivel ez a két gradiens egymásra merőleges, figyelembe vehetjük vektorösszegüket, amelynek iránya bizonyos szöggel el fog térni az eredeti áram irányától.

Ezt a szöget, amelynek értékét az áram irányába orientált elektromos tér erőinek és az áramirányban keletkező elektromos tér erőinek aránya határozza meg, Hall-szögnek nevezzük. Lehet pozitív vagy negatív az áram irányához képest, attól függően, hogy melyik vivő dominál – pozitív vagy negatív.

Hall-effektus közelségérzékelő

A Hall-effektus a domináns sótartalmú hordozó hatásmechanizmusán alapul, amely a vezető anyag általános fizikai tulajdonságaitól függ. Fémek és n-típusú félvezetők esetében az elektronok hordozók, a p-típusú félvezetőknél - lyukak.

Az áramot szállító töltések a vezetéknek ugyanarra az oldalára térülnek el, mint az elektronok. Ha a lyukak és az elektronok koncentrációja azonos, akkor két ellentétes Hall feszültséget generálnak. Ha ezek koncentrációja eltérő, akkor a két Hall feszültség valamelyike ​​dominál és mérhető.

Pozitív hordozók esetén a Lorentz-erők hatására bekövetkező vivőelhajlások ellensúlyozásához szükséges Hall-feszültség ellentétes a negatív hordozók megfelelő feszültségével. Az n típusú fémekben és félvezetőkben ez a feszültség akár előjelet is változtathat, ha a külső tér vagy a hőmérséklet megváltozik.

A Hall-érzékelő egy elektronikus eszköz, amelyet a Hall-effektus észlelésére és annak eredményeinek adatokká alakítására terveztek. Ezek az adatok felhasználhatók áramkörök be- és kikapcsolására, számítógéppel feldolgozhatók, és az eszköz gyártója és a szoftver által biztosított különféle hatásokat okozhatnak.

A gyakorlatban a Hall-érzékelők egyszerű, olcsó mikroáramkörök, amelyek mágneses mezőt használnak olyan változók érzékelésére, mint a mechanikai rendszer megközelítése, sebessége vagy elmozdulása.

A Hall szenzorok érintésmentesek, ami azt jelenti, hogy nem kell semmilyen fizikai elemmel érintkezniük, kialakításuktól és rendeltetésüktől függően digitális vagy analóg jelet generálhatnak.

A Hall-effektus-érzékelők megtalálhatók mobiltelefonokban, GPS-eszközökben, iránytűben, merevlemez-meghajtókban, kefe nélküli motorokban, gyári összeszerelő sorokban, autókban, orvosi eszközökben és számos Internet of Things modulban.

Hall-effektus alkalmazása: Hall szenzorok és Mágneses mennyiségek mérése