Трохи про ефект Холла
Ефект Холла відкритий американським фізиком Едвіном Холом в 1879 році.
Сутність ефекту Холла полягає в тому, що при проходженні струму через пластину в поздовжньому напрямку під впливом магнітного поля виникає на краях пластинки в поперечному напрямку різниця потенціалів. обумовлена законом Лоренца (під впливом магнітного поля токоносітелі зміщуються до краю пластини). Ця різниця потенціалів (ЕРС) пропорційна величині векторного твори напруженості поля і струму H • I.
При відсутності магнітного поля потік електронів не спотворюється. При наявності магнітного поля сили Лоренца відхиляють електрони і викривляють їх траєкторії. Цей напрямок траєкторій призводить до появи негативних зарядів на одній стороні пластини. На протилежному боці накопичується нескомпенсований позитивний заряд. Накопичення зарядів на протилежних гранях пластинки призводить до появи поперечного електричного поля, яке отримало назву поле Холла. Таке накопичення зарядів триває, поки що виникає поперечна ЕРС НЕ компенсує сили, створювані магнітним полем. Після цього встановиться стаціонарний процес, при якому електрони рухаються паралельно гранях пластини, як і при відсутності магнітного поля.
Електричний струм при його протіканні через метал в присутності магнітного поля виробляє електричну напругу, перпендикулярний напрямку і самого струму, і силових ліній магнітного поля.
При русі електричного заряду в магнітному полі на нього впливає відхиляє сила. Саме на цьому принципі заснована робота таких експериментальних установок, як синхрофазотрон, широко використовуються в дослідженнях в галузі фізики елементарних частинок: в них заряджені частинки виявляються спійманими в тороидальную (у формі бублика) магнітну пастку і літають по колу всередині неї. У малих масштабах цей ефект використовується в пристрої мікрохвильової печі - в ній електрони, циркулюючи в магнітному полі, виробляють надвисокочастотне випромінювання, що розігріває їжу.
Уявіть, що на столі перед вами лежить шматок проводить дроту, а магнітне поле направлено перпендикулярно площині кришки столу. Якщо по дроті пропустити струм, магнітне поле змусить заряди всередині дроти відхилятися в одну сторону (вправо або вліво від напрямку струму, в залежності від орієнтації магнітного поля і полярності зарядів). Зміщуючись від напрямку прямолінійного руху всередині провідника, заряди будуть накопичуватися в прикордонній зоні, поки сили взаємного електростатичного відштовхування між ними, що виникають в силу закону Кулона, що не урівноважать відхиляє силу впливу магнітного поля на струм. Після цього струм знову потече прямолінійно, проте на провіднику виникне різниця електричних потенціалів в площині, перпендикулярній як напрямку струму, так і напрямку силових ліній магнітного поля, викликана перерозподілом електричних зарядів в площині перетину провідника, а величина цієї різниці потенціалів буде пропорційна силі струму і напруженості магнітного поля.
Ефект Холла - явище виникнення поперечної різниці потенціалів (званої також холлівських напругою) при приміщенні провідника з постійним струмом в магнітне поле. Відкрито Е. Холом в 1879 році в тонких пластинках золота.
У найпростішому розгляді ефект Холла виглядає наступним чином. Нехай через металевий брус в слабкому магнітному полі B тече електричний струм під дією напруженості E. Магнітне поле буде відхиляти носії заряду (для визначеності електрони) від їх руху вздовж або проти електричного поля до однієї з граней бруса. При цьому критерієм малості буде служити умова, що при цьому електрон не почне рухатися по циклоїді.
Таким чином, сила Лоренца призведе до накопичення негативного заряду біля однієї грані бруска і позитивного біля протилежної. Накопичення заряду триватиме до тих пір, поки що виникло електричне поле зарядів E 1 цієї статті не компенсує магнітну складову сили Лоренца:
Швидкість електронів v можна виразити через щільність струму:
де n - концентрація носіїв заряду. тоді
Коефіцієнт пропорційності між E 1 і jB називається коефіцієнтом (або константою) Холла. У такому наближенні знак постійної Холла залежить від знаку носіїв заряду, що дозволяє визначати їх тип для великого числа металів. Для деяких металів (наприклад, таких, як алюміній. Цинк, залізо, кобальт), в сильних полях спостерігається позитивний знак RH. що пояснюється в Напівкласична і квантової теорії твердого тіла.
Опис ефекту Холла
Датчики компенсаційного типу і датчики прямого посилення засновані на використанні ефекту Холла, який був виявлений в 1979 році американським фізиком Едвіном Гербертом Холом.
Ефект Холла викликається силою Лоренца, яка діє на рухомі носії електричних зарядів в провіднику, коли на них діє магнітне поле перпендикулярно напрямку струму.
Тонка пластина напівпровідника перетинається уздовж струмом управління Iупр (рис.1). Магнітний потік В генерує силу Лоренца FL перпендикулярно напрямку рухливих носіїв зарядів, які і утворюють струм. Це веде до зміни числа носіїв зарядів на обох кінцях пластини, і створює різницю потенціалів, яка є напругою Холла UH. Такий пристрій отримало назву генератора Холла.
Датчики прямого посилення, засновані на ефекті Холла
Магнітна індукція В і напруга Холла створюються вимірюваним первинним струмом Ip, який необхідно перетворити в вихідний струм датчика. Струм управління подається за допомогою стабілізованого джерела струму. (Рис.2) Вимірюваний сигнал посилюється і з виходу датчика у вигляді напруги або струму (залежить від конструкції) використовується для подальшої обробки. Датчики пямого посилення здатні вимірювати постійний, змінний струм і струми інших форм. При цьому вони гальванически ізольовані від джерела вимірюваного струму.
Датчики компенсаційного типу (звані також датчиками з нульовим потоком), мають 100% зворотний зв'язок за рахунок вбудованої компенсаційної ланцюга. І т.д.
Матеріали для виготовлення датчиків Холла
Напівпровідниковий матеріал, призначений для виготовлення ДХ, повинен володіти не тільки високими, але і по можливості мало залежними від температури значеннями постійної Холла і рухливості носіїв струму. Вибір напівпровідникового матеріалу для ДХ диктується областю його застосування.
Як правило, використовуються напівпровідники з електронною провідністю, оскільки вони мають значно бóБільшу рухливість, ніж напівпровідники з доречнийпровідністю. Необхідно підкреслити, що властивості кожного із зазначених напівпровідникових матеріалів можуть істотно змінюватися в залежності від роду і кількості домішок, що вводяться в них.
Кристалічні датчики зазвичай виготовляють з германію, кремнію, напівпровідникових сполук елементів третин і п'ятої груп періодичної системи Менделєєва - антімоніда індію. арсеніду індію. арсеніду галію. а також твердого розчину - потрійного з'єднання In (As0,8P0,2).
Датчики постійного і змінного струму:
Датчики струму призначені для вимірювання постійної або змінного струмів з гальванічною розв'язкою силового ланцюга і ланцюгів контролю.
Конструкція датчиків струму включає в себе муздрамтеатр з зазором та компенсаційної обмотки, датчик Холла і електронну плату обробки сигналів. Магніточутливого датчик Холла закріплений в зазорі магнітопровода і з'єднаний з входом електронного підсилювача.
При протіканні вимірюваного струму по шині, яка охоплюється магнитопроводом, в останньому наводиться магнітна індукція. Датчик Холла, що реагує на що виникло магнітне поле, виробляє напругу, пропорційне величині наведеної магнітної індукції. Вихідний сигнал з датчика посилюється електронним підсилювачем і подається в компенсаційну обмотку. В результаті, по обмотці тече компенсаційний струм, пропорційний вимірюваній току за величиною і відповідний йому за формою. Що виникає при цьому магнітне поле компенсаційної обмотки компенсує магнітне поле вимірюваного струму, і датчик Холла працює як нуль-орган. При цьому смуга частот, що пропускається таким датчиком струму, становить від 0 Гц (постійний струм) до 200 кГц.
Датчики змінного струму:
З метою здешевлення приладів, була розроблена і серійно виготовляється лінійка датчиків для вимірювання тільки змінних струмів промислової частоти 50 Гц. Такі датчики складаються з трансформатора струму і електронної плати обробки сигналу. Для зручності споживачів можуть бути виготовлені різні варіанти датчиків, що відрізняються формою вихідного сигналу:
1 варіант - на виході датчика напруга, пропорційне вимірюваному току;
2 варіант - на виході датчика напруга, пропорційне діючим значенням вимірюваного струму;
3 варіант - стандартний струмовий вихід 4/20 мА (0/20 мА), пропорційний діючим значенням вимірюваного струму.
Роз'ємні датчики струму:
При проведенні моніторингу чинного електроустаткування, при ремонтних роботах на підприємствах з безперервним циклом роботи і в ряді інших випадків потрібні датчики струму, які б допускали їх установку без розриву струмових ланцюгів. Для цих цілей нами були розроблені і випускаються роз'ємні датчики вимірювання струму, т. Е. Датчики, які безпосередньо збираються і встановлюються на струмового шині. В даний час серійно виготовляються 2 типу таких датчиків:
1. Датчик вимірювання постійного і змінного струмів до 1500 А. призначений для монтажу на плоску шину 80х10 мм;
2. Датчик вимірювання змінного струму з вікном 19х19 мм.
датчики струму
Лінійні датчики Холла можуть бути використані в складі вимірювачів сили струму в межах від 250 мА до тисяч ампер. Найважливішим достоїнством таких датчиків є повна відсутність електричного зв'язку з вимірюваної ланцюгом. Лінійні датчики дозволяють вимірювати постійні і змінні струми, в тому числі струми досить високої частоти. Якщо лінійний датчик Холла розташований поблизу провідника зі струмом, то вихідна напруга датчика пропорційно індукції магнітного поля, що оточує провідник. Величина індукції, в свою чергу, пропорційна току.
Рис.6 Конструкція датчиків струму
У найпростішому випадку датчик струму являє собою конструкцію, в якій датчик Холла встановлюється близько дроти, по якому тече вимірюваний струм (рис. 6а). Такі датчики використовуються для вимірювання великих струмів, особливо в лініях електропередач.
Індукція В визначається за формулою:
де r - відстань від центру чутливої області датчика до осі симетрії провідника в метрах. Чутливість датчика струму може бути значно збільшена шляхом використання концентратора магнітного потоку у вигляді муздрамтеатру з прорізом, в яку поміщається лінійний датчик Холла (рис. 6б). В цьому випадку індукція магнітного потоку через датчик:
Основні характеристики датчиків Холла
Лінійні датчики.
Повна шкала виходу відповідає діапазону вихідних напруг, в якому нелінійність не виходить із заданих меж. Визначається як частина напруги харчування.
Діапазон вимірюваної індукції. встановлюваний виробником в гаусах або міллітесла.
Чутливість. обумовлена як крутизна характеристики перетворення в мВ / Гс або мВ / мТл.
Похибка лінійності характеристики перетворення - відхилення статичної характеристики перетворення датчика від ідеальної прямої лінії в заданому діапазоні тисків. Один із способів визначення похибки лінійності полягає у використанні методу найменших квадратів, який математично забезпечує отримання прямої лінії найкращого наближення до точок даних. Вказується у відсотках від повної шкали.
Напруга нуля магнітного поля - значення вихідної напруги, відповідне відсутності магнітного поля.
Температурний дрейф нуля - зміна напруги нуля, викликане зміною температури. Вказується в% / ° С від напруги нуля, відповідного 25 ° С.
Температурний дрейф чутливості - зміна чутливості, викликане зміною температури. Вказується в% / ° С від напруги повної шкали, яка відповідає 25 ° С.
Час відгуку . визначається як час зміни вихідного сигналу від 10% до 90% сталого значення його збільшення при стрибкоподібному зміні магнітного поля.
Смуга пропусканіяfS визначається за рівнем зниження чутливості на 3 дБ в режимі малого сигналу.