Americký fyzik Edwin Herbert Hall poprvé popsal neobvyklý fyzikální jev v roce 1879 při provádění experimentu s průchodem magnetického toku tenkou zlatou destičkou. Tento jev byl následně po něm pojmenován.
halový efekt — je výskyt rozdílu potenciálů v elektrickém vodiči na okrajích vzorku umístěného v příčném magnetickém poli, když jím protéká proud kolmo k poli.
Fyzikální vysvětlení
Když je deska – vodič nebo polovodič – umístěna v magnetickém poli svírajícím úhel 90° ke směru magnetických siločar, elektrony se budou pohybovat podél příčky desky působením Lorentzovy síly. * .
Směr elektronů závisí na směru proudu a siločarách magnetického toku. Jinými slovy, Hallův jev (HE) je speciálním případem Lorentzovy síly, tj. působení magnetického pole na nabitou částici.
V tomto případě jsou elektrony vychylovány kolmo k pohybu. To způsobuje přebytek elektronů na straně vychylování a odpovídající nedostatek elektronů na opačné straně.
Toto oddělení náboje si lze představit jako podobné oddělení náboje v kondenzátoru. Protože kladná a záporná strana jsou nyní proti sobě, vzniká elektrické pole. Toto elektrické pole působí na elektrony silou opačnou k Lorentzově síle. Pokud se tyto dvě síly navzájem vyruší ve stejné míře, pak se zvyšování oddělení náboje ukončí.
Stejně jako u kondenzátoru lze i zde odebrat napětí. Toto elektrické napětí se nazývá Hallovo napětí , která lineárně roste se zvyšujícím se magnetickým polem a je antiproporcionální hustotě nosičů náboje. To se vysvětluje skutečností, že konstantního proudu s menším počtem nosičů náboje lze dosáhnout pouze zvýšením rychlosti jednotlivých nosičů náboje. Na rychlejší nosiče náboje působí silnější Lorentzova síla, což zvyšuje Hallovo napětí.
Tento jev se nazývá obyčejný Hallův jev, protože existují i další jevy, které jsou založeny na interakci vodiče, proudu a magnetického pole.
*Hendrik Lorenz dokázal, že elektromagnetická indukce interaguje s nabitými částicemi. Tyto interakce vedou ke vzniku Lorentzovy síly. Tato síla vzniká působením magnetické indukce. Je kolmá k vektoru rychlosti pohybující se částice. Nezbytnou podmínkou pro vznik této síly je pohyb elektrického náboje.
Aplikace Hallova jevu
Nejdůležitější aplikací elektroforézy je stanovení koncentrace nosičů náboje v materiálech, které vedou elektrický proud, zejména v polovodičích, ve kterých lze koncentraci nosičů náboje libovolně měnit, například zavedením nečistot.
Na základě elektrotechniky je možné vytvářet zařízení, která mají cenné a dokonce jedinečné vlastnosti a zaujímají důležité místo v měřicí technice, automatizaci a radiotechnice.
Při konstantní hodnotě proudu je Hallovo elektromotorické síla přímo úměrná magnetické indukci. Lineární závislost těchto veličin u Hallových senzorů (HS) je výhodou oproti indukčním měřičům založeným na magnetorezistenci. HS také umožňují měřit elektrické a magnetické vlastnosti kovů a polovodičů.
Při výrobě polovodičových materiálů se elektromotorický proud (EC) používá k měření mobility a koncentrace nosičů náboje v nich. Za tímto účelem se měří Hallovo elektromotorické napětí (EMF) na speciálně připraveném vzorku a jeho hodnota se používá k posouzení mobility a koncentrace nosičů náboje v materiálu.
V současné době, díky vysoké přesnosti a stálosti dat, nacházejí DH široké uplatnění v různých odvětvích vědy a techniky. Lze je použít k měření síly, tlaku, úhlů, posunů a dalších neelektrických veličin.
Výhody Hallových senzorů
Hallovy senzory měří velikost magnetického pole a patří k nejpoužívanějším typům magnetických měničů.
Metoda Hallova jevu — metoda magnetického nedestruktivního zkoušení založená na zaznamenávání magnetických polí zkoušeného objektu pomocí Hallových měničů.
Hlavními výhodami DH jsou bezkontaktnost, absence mechanického zatížení a kontaminace, nízké náklady, spolehlivost a schopnost odolávat náročným podmínkám prostředí.
Bezpečnost DH je dosažena elektrickou izolací. Senzory jsou vyrobeny z kovů, jako je germanium a křemík. Jsou legovány arsenem nebo fosforem a antimonem.
Materiál musí mít vysokou mobilitu nosičů náboje. Pro dosažení největšího účinku by látka neměla mít vysokou elektrickou vodivost. Výhodou takových zařízení je nízká závislost na změnách teploty.
Praktická aplikace
Hallovy senzory jsou ideální volbou při vytváření systémů pro monitorování rychlosti otáčení čehokoli, od chladičů až po motory v zařízeních.
Používají se při konstrukci motorů se sledovacím pohonem (je možné měřit úhel natočení hřídele motoru); při vytváření bezkontaktních unipolárních a bipolárních spínačů a přepínačů; instalují se do elektrických startérů spalovacích motorů, chladicích systémů PC, do diskových jednotek a ventilace počítačové techniky.
Hallovy senzory se také používají v chytrých telefonech k zajištění:
- Práce digitálního kompasu, který se používá v navigačních programech a pomáhá zvýšit rychlost určování polohy.
- Optimalizace interakce mezi zařízením a různým příslušenstvím, jako jsou magnetické pouzdra.
- Zapíná a vypíná obrazovku při otevírání nebo zavírání víka u modelů se skládacím designem.
DH se používá v měřicích zařízeních díky své schopnosti převádět magnetickou indukci na potenciálový rozdíl.
Funkce Hallova senzoru v magnetickém analyzátoru MA-412MM
Magnetický analyzátor (koercimetr) MA-412MM je určen pro kontrolu kvality objemového tepelného zpracování, povrchového kalení a napjatosti součástí a kovových konstrukcí vyrobených z feromagnetických materiálů v laboratorních a dílenských podmínkách.
Princip činnosti magnetického analyzátoru je založen na analýze interakce střídavého magnetického pole s řízenou součástí.
Magnetické pole je vytvářeno elektromagnetem ve tvaru U, kde
1 – testovaný předmět; 2 – elektromagnet ve tvaru U; 3 – měnič magnetického pole.
Testovaná položka 1 pomocí připojeného elektromagnetu ve tvaru U 2 zmagnetizováno proudem Inamagn., poté remagnetizovat proudem Iperemagnet. podél sestupné větve magnetické hysterezní smyčky. V okamžiku rovnosti magnetického toku registrovaného snímačem magnetického pole s nulou 3V obvodu elektromagnet-produkt se měří hodnota proudu Istřídavého magnetu, úměrná koercitivní síle materiálu Hc.
Magnetické vlastnosti závisí na celé řadě fyzikálních, chemických a strukturních vlastností média (tvrdost, chemické složení, jakost oceli, tloušťka kalené vrstvy atd.). Při relativní stálosti faktorů v rámci jedné struktury magnetický analyzátor odhaluje anomálie spojené se stavem materiálu.
Pokud je po provedení výzkumu zjištěno spojení mezi koercitivní silou a sledovaným parametrem produktu, magnetický analyzátor umožňuje zadat zjištěný vztah mezi magnetickou charakteristikou a řízeným parametrem do paměti zařízení. V důsledku toho budou hodnoty zařízení vydávány přímo v měřených jednotkách, například v jednotkách tvrdosti při měření kvality tepelného zpracování nebo v milimetrech při sledování tloušťky kaleného povlaku.
Pomocí pólů elektromagnetu ve tvaru U vytváří senzor magnetický tok nezbytný pro magnetizaci a remagnetizaci ovládané součásti. Hodnota magnetického toku se zaznamenává pomocí převodníku magnetického pole, který využívá Hallův senzor.
Elektronická jednotka koercimetru plní následující funkce:
- generuje velikost a polaritu proudu potřebného pro provoz elektromagnetu senzoru;
- zesiluje signál z Hallova senzoru, úměrný velikosti magnetického pole, na úroveň potřebnou pro další zpracování mikrokontrolérem;
- provádí digitální převod signálu z Hallova senzoru pomocí algoritmů, které vytvářejí spojení mezi signálem ze senzoru a tloušťkou vytvrzené vrstvy;
- prezentuje výsledky regulace ve formě vhodné pro obsluhu.
