Эффект Холла — это гальваномагнитное явление, которое заключается в возникновении поперечного электрического поля и, соответственно, разности потенциалов в проводнике, через который течёт электрический ток. При этом проводник помещён в магнитное поле, силовые линии которого направлены перпендикулярно направлению тока в проводнике. Разность потенциалов в проводнике располагается перпендикулярно магнитному полю (поперёк направлению электрического тока).
Гальваномагнитное явление — это кинетическое явление (эффект), обусловленное движением носителей заряда под действием внешних и внутренних полей или разности температур. Оно возникает в веществе, которое находится в магнитном поле, и через это вещество проходит электрический ток, возникающий под действием электрического поля. То есть гальваномагнитные явления наблюдаются в веществе при одновременном действии магнитного и электрического полей.
К гальваномагнитным явлениям, кроме эффекта Холла, относят магниторезистивный эффект или магнетосопротивление, эффект Эттингсгаузена (поперечный гальваномагнитный эффект), эффект Нернста (продольный гальваномагнитный эффект). Поперечный и продольный означают направление градиентов температуры относительно тока.
Эффект Холла был назван в честь его открывателя — американского физика Эдвина Герберта Холла. Впервые он описал открытый им эффект в 1879 году, когда проводил исследование влияние магнитного поля на проходящий через проводник электрический ток. В частности, Эдвин Холл заметил, что величина разности потенциалов (сейчас оно называется как напряжение Холла) между боковыми гранями проводника (в экспериментах применялась золотая пластинка) пропорционально зависит от магнитного поля и электрического тока в проводнике.
При отсутствии воздействия магнитного поля на проводник, через который течёт электрический ток, электроны движутся вдоль направления тока прямолинейно. Но стоит проводник поместить в магнитное поле, то сила Лоренца действует на электроны, и они отклоняются от прямолинейного направления движения. Поскольку сила Лоренца направлена перпендикулярно направлению движения электроном и магнитному полю, то электроны будут отклоняться в определённую сторону (в зависимости от направления силовых линий магнитного поля). За счёт этого и возникает разность потенциалов между сторонами проводника.
Другими словами: эффект Холла возникает из-за силы Лоренца, которая действует на свободные носители заряда (электроны или дырки) в проводнике (или полупроводнике), помещённом в магнитное поле. Сила Лоренца перпендикулярна как направлению магнитного поля, так и направлению движения носителей заряда. Эта сила отклоняет носители заряда в стороны, создавая разность потенциалов между двумя сторонами проводника.
Разность потенциалов зависит от силы тока, магнитного поля, толщины проводника и его свойств (в частности, концентрация электронов, что важно при использовании полупроводниковых материалов).
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
Математический подход к описанию эффекта Холла основан на принципах электромагнетизма и движения заряженных частиц в магнитном поле.
Как уже была сказано выше, эффект Холла возникает из-за силы Лоренца.
Сила Лоренца — это сила, с которой магнитное поле действует на заряженные частицы, и она прямо пропорциональна величине заряда движущейся частицы, скорости частицы и величине индукции магнитного поля:
где q0 [Кл — Кулон] — заряд движущейся частицы (берётся значение по модулю);
B [Тл — Тесла] — индукция магнитного поля;
υ [м/с] — скорость частицы;
α — угол между вектором магнитной индукции и направлением вектора скорости частицы. Так как при эффекте Холла сила Лоренца перпендикулярна как направлению магнитного поля, так и направлению движения носителей заряда, то синус 90 ̊ равен 1 (sin(90 ̊) = 1).
Разность потенциалов, которая создаётся на боковых гранях проводника, который находится под воздействием внешнего магнитного поля и через этот проводник протекает электрический ток, называется напряжением Холла (Холловская разность потенциалов):
где RX [м³/Кл] — коэффициент (постоянная) Холла;
[А/м²] — плотность тока;
B [Тл] — индукция магнитного поля;
d [м] — толщина проводника.
Коэффициент (постоянная) Холла характеризует зависимость напряжения Холла от свойств вещества и описывается следующим выражением:
где q (или e) — величина заряда движущихся частиц (электронов);
n — концентрация носителей зарядов (электронов).
Учитывая вышеперечисленные параметры, выражение для напряжения Холла можно представить следующими соотношениями:
Таким образом, величина разности потенциалов (напряжение Холла) напрямую зависит от величины индукции магнитного поля, силы тока через проводник и его толщины.
На практике для определения постоянной Холла для различных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) применяются специальные таблицы со значениями коэффициентов.
ГДЕ ПРИМЕНЯЕТСЯ ЭФФЕКТ ХОЛЛА
В своей сущности эффект Холла — это воздействие магнитного поля на проводник, через который протекает ток, то есть бесконтактное воздействие. Опираясь на этот факт, эффекта Холла используется в тех сферах науки и техники, где необходимо взаимодействие электрических цепей без непосредственного гальванического контакта.
На принципиальных электрических схемах датчик Холла имеет следующее условное графическое обозначение (в соответствии с ГОСТ 2.730 и IEC 60617):
(токовые выводы датчика изображены линиями, отходящими от коротких сторон прямоугольника)
1) Измерение и регистрация магнитного поля
Существуют различные модели датчиков магнитного поля. Когда силовые линии магнитного поля пронизывают тело датчика, то по величине и полярности напряжения Холла можно определить величину индукции магнитного поля и его направление.
Среди датчиков магнитного поля различают аналоговые и цифровые:
— примеры аналоговых: SS49E, KSY44, HE144;
— примеры цифровых: SS41, SS411A, SR16C-J6.
Аналоговые датчики Холла применяются для измерения величины магнитной индукции (силовая характеристика магнитного поля) при исследовании магнитных материалов, а также на поверхности постоянных магнитов и в зазорах магнитных систем при их производстве. Такие приборы называются как магнитометр/тесламетр/гауссметр. Примером такого измерительного прибора является Gaussmeter Model 2100 от компании Magnetic Instrumentation Inc.
Также такие датчики используются, к примеру, в смартфонах для работы электронного компаса.
Цифровые датчики магнитного поля используются как чувствительные элементы в инкрементальных датчиках (счётчик оборотов колеса), в системах сигнализации (как аналог концевого выключателя на дверях, используется вместо герконовых выключателей), в устройствах поиска скрытой в стене электропроводки, в системе бесконтактного зажигания в автомобилях и многих других сферах, где необходима гальванически развязанное взаимодействие (без электрического контакта). Такой тип датчиков может находиться в одном из двух состояний: выход датчика (выход с открытым коллектором) находится либо в состоянии логической единица, либо логического ноля. Это зависит от того, как воздействует магнитное поле на чувствительный элемент датчика, учитывая его порог срабатывания. Если по-простому, то: в состоянии покоя (когда рядом нет источников магнитного поля) выход датчика закрыт, а когда поднесли магнит — выход датчик открывается.
2) Датчики тока и напряжения
В тех случаях, когда необходимо измерить ток или напряжение в силовой цепи без гальванической связи с измерительными цепями (аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, компьютер и т.д.), датчики тока и напряжения, работающие на базе эффекта Холла, идеально подходят для решения такой задачи.
К примеру, токовые клещи Hantek CC-65 способны измерять ток как переменный, так и постоянный.
Переменный ток измеряется за счёт работа трансформатора тока: когда проводник с током пронизывает кольцо токовых клещей, формируя своего рода первичную обмотку трансформатора, в сердечнике трансформатора формируется переменный магнитный поток, который образует на вторичной обмотке электродвижущую силу (ЭДС), которая, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.
Измерение постоянного (в целом, и переменного тоже) тока осуществляется за счёт тонкой пластинки из полупроводникового материала, которая устанавливается в разрез (воздушный зазор) ферритового сердечника токовых клещей (как раз в месте смыкания «губок» клещей). В тот момент, когда проводник с током проходит через кольцо токовых клещей, в ферритовом сердечнике формируется магнитный поток. Его силовые линии пронизывают пластину, в которой и формируется напряжение Холла. Оно пропорционально силе тока в проводнике, проходящего сквозь кольцо.
Кстати говоря, выше представленная картинка иллюстрирует вполне себе формфактор настоящего датчика ток — KEY100 компании Amploc. Как видно по фотографиям ниже, датчик Холла располагается в разрезе магнитопровода. Сам датчик имеет три вывода: питание (+5 В), аналоговый выход и общий провод питания (GND). Стрелка на наклейке указывает положительное направление протекания измеряемого постоянного тока в проводнике, который должен проходить через отверстие датчика.
Одним из наиболее популярных и доступных датчиков тока на базе эффекта Холла является серия микросхем ACS712. В серию входят 3 модели на разные максимальные токи: ±5 А, ±20 А и ±30 А. Основным недостатком данных датчиков является невысокая точность.
и схема включения датчика
Для более точных измерений хорошим выбором являются датчики тока LA 25-NP от компании LEM. Кроме датчиков тока, компания выпускает датчики напряжения LV 25-P.
Зачастую, датчики тока, измеряющие ток величиной до 30…40 А, имеют токовые выводы под пайку (к примеру, ACS712 или LA 25-NP). Для измерения токов свыше 30 А применяются датчики бесконтактного типа, то есть датчики с магнитным кольцом. Хорошими примерами таких датчиков являются выше указанный KEY100, а также CYHCS-AP100A, CYHCS-B6-25A, LA 55-P с биполярным питанием.
3) Датчик скорости
На базе датчика Холла (например, цифровой вариант датчика SS41) строятся современные цифровые измерители скорости/частоты вращения (количества оборотов), например, шпинделя (вал, на котором устанавливается зажимной патрон, в котором закрепляется обрабатываемое изделие) легкого токарного станка. На представленном ниже рисунке 14 схематично изображена конструкция измерителя скорости вращения (можно сказать — спидометра).
Представим, что на одном валу с зажимным патроном токарного станка установлено железное зубчатое колесо. Датчик Холла установлен по касательной окружности, описываемой зубами колеса. Когда зуб колеса становится перпендикулярно плоскости датчика Холла, то происходит взаимодействие зуба с постоянным магнитом, который расположен по другую сторону плоскости датчика Холла.
В процессе взаимодействия зуба и магнита сквозь датчик значительно увеличивается магнитный поток, который пронизывает плоскость датчика. А значит, и напряжение на выходе датчика соответствует высокому логическому уровню (Umax). Когда же напротив датчика становится прорезь зубчатого колеса, то магнитный поток сквозь датчик резко убывает. Соответственно, напряжение на выходе датчика равно низкому логическому уровню (Umin). И такие момент происходят периодически, что можно увидеть закономерность между частотой прохождения зуба колеса напротив датчика Холла и уровнем напряжения на выходе датчика:
