Efecte Hall adiabàtic negatiu i positiu

En un cable portador de corrent col·locat en un camp magnètic, s'indueix una tensió en una direcció perpendicular a les direccions del corrent elèctric i del camp magnètic. El fenomen de l'aparició d'aquesta tensió s'anomena efecte Hall, i el propi voltatge induït s'anomena tensió Hall.

El 1879, el físic nord-americà Edwin Hall (1855-1938), mentre treballava en la seva tesi, va descobrir un efecte interessant. Va agafar una fina placa d'or que portava un corrent continu i la va col·locar en un camp magnètic perpendicular al pla de la placa. En aquest cas, va aparèixer un camp elèctric addicional entre les vores de la placa. Més tard, aquest fenomen va rebre el nom del descobridor. L'efecte Hall ha trobat una àmplia aplicació: s'utilitza per mesurar la inducció d'un camp magnètic (sensors Hall), així com per estudiar les propietats físiques dels materials conductors (amb l'efecte Hall, es pot calcular la concentració de portadors de corrent i el seu signe).

Mòdul de sensor d'efecte de corrent Hall ACS712 5A

Hi ha dos tipus de portadors de corrent elèctric: els portadors positius que es mouen en una direcció i els portadors negatius que es mouen en la direcció oposada.

Els portadors negatius que es mouen en una direcció determinada a través d'un camp magnètic experimenten una força que tendeix a desviar el seu moviment d'una trajectòria recta. Els portadors positius que viatgen en sentit contrari a través del mateix camp magnètic es desvien en la mateixa direcció que els portadors negatius.

Com a resultat d'aquesta desviació de tots els portadors de corrent sota la influència de les forces de Lorentz al mateix costat del conductor, s'estableix un gradient de població de portadors, i en un costat del conductor el nombre de portadors per unitat de volum serà superior a a l'altre.

La figura següent il·lustra el resultat global d'aquest procés quan hi ha el mateix nombre de transportistes de dos tipus.

Aquí, els gradients potencials generats per portadors de dos tipus es dirigeixen entre si, de manera que la seva influència no es pot detectar quan s'observa des de l'exterior. Si els portadors d'un tipus són més nombrosos que els d'un altre tipus, aleshores el gradient de població de portadors genera un potencial de gradient de Hall, com a resultat del qual es pot detectar la tensió de Hall aplicada al cable.

Efecte Hall negatiu adiabàtic. Si només els electrons són portadors de càrrega, aleshores el gradient de temperatura i el gradient de potencial elèctric apunten en direccions oposades.

Efecte Hall adiabàtic. Si només els forats són portadors de càrrega, aleshores el gradient de temperatura i el gradient de potencial elèctric apunten en la mateixa direcció

Si el corrent a través del cable sota la influència de la tensió Hall és impossible, llavors entre per les forces de Lorentz i mitjançant el Hall s'estableix l'equilibri de tensió.

En aquest cas, les forces de Lorentz tendeixen a crear un gradient de població portadora al llarg del cable, mentre que la tensió de Hall tendeix a restaurar una distribució uniforme de població al llarg del volum del cable.

La força (tensió per unitat de gruix) del camp elèctric Hall dirigit perpendicularment a les direccions del corrent d i del camp magnètic està determinada per la fórmula següent:

Fz = KzVJ,

on K.z — coeficient de Hall (el seu signe i valor absolut poden variar significativament en funció de les condicions específiques); B - inducció magnètica i J és la densitat del corrent que circula pel conductor (el valor del corrent per unitat de l'àrea de la secció transversal del conductor).

La figura mostra una làmina de material que condueix un fort corrent i quan els seus extrems estan connectats a una bateria. Si mesurem la diferència de potencial entre els costats oposats, ens donarà zero, tal com es mostra a la figura de l'esquerra. La situació canvia quan el camp magnètic B s'aplica perpendicularment al corrent de la làmina, veurem que entre els costats oposats apareix una diferència de potencial molt petita V3 tal com es mostra a la figura de la dreta.

El terme «adiabàtic» s'utilitza per descriure condicions en què no hi ha flux de calor des de l'exterior cap o des del sistema considerat.

Hi ha capes de material aïllant a banda i banda del cable per evitar el flux de calor i corrent en direcció transversal.

Com que la tensió de Hall depèn de la distribució desigual dels portadors, només es pot mantenir a l'interior del cos si l'energia es subministra des d'alguna font externa al cos.Aquesta energia prové d'un camp elèctric que crea un corrent inicial a la substància. S'estableixen dos gradients de potencial en una substància galvanomagnètica.

El gradient de potencial inicial es defineix com la densitat de corrent inicial multiplicada per la resistència de la substància, i el gradient de potencial de Hall es defineix com la densitat de corrent inicial multiplicada pel coeficient de Hall.

Com que aquests dos gradients són mútuament perpendiculars, podem considerar la seva suma vectorial, la direcció de la qual es desviarà en algun angle de la direcció del corrent original.

Aquest angle, el valor del qual ve determinat per la relació entre les forces del camp elèctric orientat en la direcció del corrent i el camp elèctric generat en la direcció del corrent, s'anomena angle de Hall. Pot ser positiu o negatiu respecte a la direcció del corrent, depenent de quins portadors són dominants: positius o negatius.

Sensor de proximitat d'efecte Hall

L'efecte Hall es basa en el mecanisme d'influència d'un portador amb salinitat predominant, que depèn de les propietats físiques generals de la substància conductora. Per als metalls i els semiconductors de tipus n, els electrons són portadors, per als semiconductors de tipus p - forats.

Les càrregues que transporten el corrent es desvien al mateix costat del cable que els electrons. Si els forats i els electrons tenen la mateixa concentració, generen dues tensions de Hall oposades. Si les seves concentracions són diferents, llavors una d'aquestes dues tensions de Hall predomina i es pot mesurar.

Per als portadors positius, la tensió Hall necessària per contrarestar les deflexions de la portadora sota la influència de les forces de Lorentz és oposada a la tensió corresponent per als portadors negatius. En metalls i semiconductors de tipus n, aquesta tensió fins i tot pot canviar de signe quan canvia el camp extern o la temperatura.

Un sensor Hall és un dispositiu electrònic dissenyat per detectar l'efecte Hall i convertir els seus resultats en dades. Aquestes dades es poden utilitzar per encendre i apagar circuits, es poden processar per un ordinador i poden causar diversos efectes proporcionats pel fabricant i el programari del dispositiu.

A la pràctica, els sensors Hall són microcircuits senzills i econòmics que utilitzen camps magnètics per detectar variables com l'aproximació, la velocitat o el desplaçament d'un sistema mecànic.

Els sensors Hall són sense contacte, és a dir, no necessiten entrar en contacte amb cap element físic, poden generar un senyal digital o analògic, segons el seu disseny i finalitat.

Els sensors d'efecte Hall es poden trobar en telèfons mòbils, dispositius GPS, brúixoles, discs durs, motors sense escombretes, línies de muntatge de fàbriques, automòbils, dispositius mèdics i molts gadgets d'Internet de les coses.

Aplicació de l'efecte Hall: Sensors Hall i Mesura de magnituds magnètiques