Adiabatischer negativer und positiver Hall-Effekt

In einem stromdurchflossenen Draht, der sich in einem Magnetfeld befindet, wird eine Spannung in einer Richtung senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms und des Magnetfelds induziert. Das Phänomen des Auftretens einer solchen Spannung wird als Hall-Effekt bezeichnet, und die induzierte Spannung selbst wird als Hall-Spannung bezeichnet.

Im Jahr 1879 entdeckte der amerikanische Physiker Edwin Hall (1855-1938) während seiner Dissertation einen interessanten Effekt. Er nahm eine dünne Goldplatte, auf der Gleichstrom lief, und platzierte sie in einem Magnetfeld senkrecht zur Plattenebene. In diesem Fall entstand ein zusätzliches elektrisches Feld zwischen den Plattenrändern. Später wurde dieses Phänomen nach dem Entdecker benannt. Der Hall-Effekt hat breite Anwendung gefunden: Er wird zur Messung der Induktion eines Magnetfelds (Hall-Sensoren) sowie zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften leitfähiger Materialien (mithilfe des Hall-Effekts kann man die Konzentration von Stromträgern berechnen) verwendet ihr Zeichen).

Hall-Stromeffekt-Sensormodul ACS712 5A

Es gibt zwei Arten von elektrischen Stromträgern: positive Träger, die sich in eine Richtung bewegen, und negative Träger, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Negative Träger, die sich durch ein Magnetfeld in eine bestimmte Richtung bewegen, erfahren eine Kraft, die dazu neigt, ihre Bewegung von einer geraden Bahn abzulenken. Positive Ladungsträger, die sich in entgegengesetzter Richtung durch dasselbe Magnetfeld bewegen, werden in die gleiche Richtung abgelenkt wie negative Ladungsträger.

Als Ergebnis einer solchen Abweichung aller Stromträger unter dem Einfluss von Lorentzkräften zur gleichen Seite des Leiters stellt sich ein Ladungsträgerpopulationsgradient ein, und auf einer Seite des Leiters ist die Anzahl der Träger pro Volumeneinheit größer als auf dem anderen.

Die folgende Abbildung veranschaulicht das Gesamtergebnis dieses Prozesses, wenn die gleiche Anzahl von Trägern zweier Typen vorhanden ist.

Dabei sind die von Trägern zweier Typen erzeugten Potentialgradienten gegeneinander gerichtet, so dass ihr Einfluss von außen betrachtet nicht erkennbar ist. Sind Träger eines Typs zahlreicher als Träger eines anderen Typs, so erzeugt der Trägerpopulationsgradient ein Hall-Gradientenpotential, wodurch die am Draht anliegende Hall-Spannung erfasst werden kann.

Adiabatischer negativer Hall-Effekt. Wenn nur die Elektronen Ladungsträger sind, dann zeigen der Temperaturgradient und der elektrische Potentialgradient in entgegengesetzte Richtungen.

Adiabatischer Hall-Effekt. Sind nur die Löcher Ladungsträger, dann weisen der Temperaturgradient und der elektrische Potentialgradient in die gleiche Richtung

Wenn der Strom durch den Draht unter dem Einfluss der Hall-Spannung nicht möglich ist, dann zwischen durch Lorentzkräfte und durch die Hall-Spannung stellt sich ein Gleichgewicht ein.

In diesem Fall erzeugen Lorentz-Kräfte tendenziell einen Gradienten der Ladungsträgerpopulation entlang des Drahts, während die Hall-Spannung dazu neigt, eine gleichmäßige Besetzungsverteilung über das gesamte Drahtvolumen wiederherzustellen.

Die Stärke (Spannung pro Dickeneinheit) des senkrecht zur d-Strom- und Magnetfeldrichtung gerichteten elektrischen Hall-Feldes wird durch die folgende Formel bestimmt:

Fz = KzVJ,

wobei K.z der Hall-Koeffizient ist (Vorzeichen und Absolutwert können je nach den spezifischen Bedingungen erheblich variieren); B – magnetische Induktion und J ist die Dichte des im Leiter fließenden Stroms (der Wert des Stroms pro Einheit der Querschnittsfläche des Leiters).

Die Abbildung zeigt eine Materialplatte, die einen starken Strom i leitet, wenn ihre Enden mit einer Batterie verbunden sind. Wenn wir die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Seiten messen, erhalten wir Null, wie in der Abbildung links gezeigt. Die Situation ändert sich, wenn das Magnetfeld B senkrecht zum Strom im Blech angelegt wird. Wir werden sehen, dass zwischen den gegenüberliegenden Seiten eine sehr kleine Potentialdifferenz V3 auftritt, wie in der Abbildung rechts dargestellt.

Mit dem Begriff „adiabatisch“ werden Zustände beschrieben, bei denen kein Wärmefluss von außen zum oder vom betrachteten System erfolgt.

Auf beiden Seiten des Drahtes befinden sich Schichten aus Isoliermaterial, um den Wärme- und Stromfluss in Querrichtung zu verhindern.

Da die Hall-Spannung von der ungleichmäßigen Ladungsträgerverteilung abhängt, kann sie im Körper nur dann aufrechterhalten werden, wenn die Energie von einer Quelle außerhalb des Körpers zugeführt wird.Diese Energie stammt aus einem elektrischen Feld, das einen Anfangsstrom in der Substanz erzeugt. In einer galvanomagnetischen Substanz stellen sich zwei Potentialgradienten ein.

Der anfängliche Potentialgradient ist definiert als die anfängliche Stromdichte multipliziert mit dem Widerstand der Substanz, und der Hall-Potentialgradient ist definiert als die anfängliche Stromdichte multipliziert mit dem Hall-Koeffizienten.

Da diese beiden Gradienten senkrecht zueinander stehen, können wir ihre Vektorsumme betrachten, deren Richtung um einen Winkel von der Richtung des ursprünglichen Stroms abweicht.

Dieser Winkel, dessen Wert durch das Verhältnis der Kräfte des in Stromrichtung ausgerichteten elektrischen Feldes und des in Stromrichtung erzeugten elektrischen Feldes bestimmt wird, wird Hall-Winkel genannt. Sie kann in Bezug auf die Stromrichtung positiv oder negativ sein, je nachdem, welche Träger dominant sind – positiv oder negativ.

Hall-Effekt-Näherungssensor

Der Hall-Effekt basiert auf dem Einflussmechanismus eines Trägers mit vorherrschendem Salzgehalt, der von den allgemeinen physikalischen Eigenschaften der leitenden Substanz abhängt. Bei Metallen und Halbleitern vom n-Typ sind Elektronen Träger, bei Halbleitern vom p-Typ Löcher.

Die stromführenden Ladungen werden auf die gleiche Seite des Drahtes abgelenkt wie die Elektronen. Wenn Löcher und Elektronen die gleiche Konzentration haben, erzeugen sie zwei entgegengesetzte Hall-Spannungen. Sind ihre Konzentrationen unterschiedlich, dann überwiegt eine dieser beiden Hall-Spannungen und kann gemessen werden.

Bei positiven Ladungsträgern ist die Hall-Spannung, die erforderlich ist, um Ladungsträgerauslenkungen unter dem Einfluss von Lorentzkräften entgegenzuwirken, entgegengesetzt zur entsprechenden Spannung bei negativen Ladungsträgern. In Metallen und Halbleitern vom n-Typ kann diese Spannung sogar das Vorzeichen ändern, wenn sich das äußere Feld oder die Temperatur ändert.

Ein Hall-Sensor ist ein elektronisches Gerät, das den Hall-Effekt erkennt und seine Ergebnisse in Daten umwandelt. Diese Daten können zum Ein- und Ausschalten von Schaltkreisen verwendet werden, können von einem Computer verarbeitet werden und können verschiedene vom Gerätehersteller und der Software bereitgestellte Effekte hervorrufen.

In der Praxis handelt es sich bei Hall-Sensoren um einfache, kostengünstige Mikroschaltungen, die mithilfe von Magnetfeldern Variablen wie Annäherung, Geschwindigkeit oder Verschiebung eines mechanischen Systems erfassen.

Hall-Sensoren sind berührungslos, das heißt, sie müssen nicht mit physikalischen Elementen in Berührung kommen. Sie können je nach Bauart und Einsatzzweck ein digitales oder analoges Signal erzeugen.

Hall-Effekt-Sensoren finden sich in Mobiltelefonen, GPS-Geräten, Kompassen, Festplatten, bürstenlosen Motoren, Fertigungsstraßen, Automobilen, medizinischen Geräten und vielen Geräten für das Internet der Dinge.

Hall-Effekt-Anwendung: Hall-Sensoren Und Messung magnetischer Größen