Сегодня мы постараемся выяснить, что собой представляет достаточно интересный эффект, открытый американским физиком Эдвином Холлом, а также узнаем, где этот эффект сегодня используется.
Что это
Согласно техническому определению эффект Холла — это возникновение в электрическом проводнике разности потенциалов на краях образца, помещенном в поперечное магнитное поле, при протекании тока, перпендикулярно этому полю. Попробуем разобраться в этой с первого взгляда неспециалистом абракадабре.
Итак, берем образец — прямоугольную металлическую пластину. Холл брал тонкий лист золота, но подойдет любой токопроводящий материал. К двум противоположным граням пластины подключаем источник тока. К оставшимся граням подключаем вольтметр. Через пластину начинает течь ток, на вольтметре «ноль».
Теперь поднесем к одной из граней, той, к которой подключен вольтметр, постоянный магнит. В зависимости от положения полюсов магнита и направления тока носители заряда в пластине отклонятся в ту или другую сторону. В результате на гранях, к которым подключен вольтметр, появится разность потенциалов — напряжение. Величина его будет зависеть от силы тока в образце и величины магнитного поля. Полярность, как было замечено выше, — от направления тока и полярности магнитного поля. Это и есть эффект Холла. Наглядно эксперимент ученого поясняет анимация, приведенная ниже.
Напряжение, конечно, будет невелико — единицы микровольт, — но оно будет, а значит, его можно зафиксировать и использовать (о применении ниже).
Важно! Вольтметр в эксперименте взят гипотетически. На самом деле необходим намного более чувствительный прибор. Холл для этих целей использовал гальванометр.
Немного истории
Эффект был открыт, как отмечено выше, американским ученым Эдвином Гербертом Холлом в 1879 году, причем, можно сказать, случайно в ходе совершенно других исследований.
Изучая статью Джеймса Клерка Максвелла (1831-1878 гг.) «О физических силовых линиях», ученый предположил, что ток должен отклоняться в проводнике, помещенном в магнитное поле, поскольку если электрический ток в неподвижном проводнике сам притягивается магнитом, ток должен быть отклонен на одну сторону провода, и, следовательно, испытываемое сопротивление должно увеличиться.
Холлу так и не удалось зафиксировать изменение поперечного магнитосопротивления, из-за несовершенных приборов и слабых магнитных полей, им используемых. Но он обнаружил, что на поперечном сечении образца появляется разность потенциалов. Если учесть, что открытие электрона произойдет только через 18 лет, это было феноменальным достижением, которое ученый отобразил в своей статье «О новом действии магнита на электрические токи».
Применение
Поначалу открытие Холла не нашло широкого применения – слишком мала была разность потенциалов. Даже после изобретения Ли де Форестом вакуумного триода (аудиона) в 1906 году проблема усиления слабого сигнала с пластины осталась. Конструкция на триодах была громоздкой, энергоемкой и крайне ненадежной, а усиление посредственным. Для лабораторных исследований такие усилители годились, но для повседневного широкого использования не подходили. И только спустя 75 лет с изобретением полупроводников, развивающих ЭДС в десятки и даже сотни микровольт, тонкопленочных технологий и микросхем датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, получили широкое распространение.
Сегодня такие датчики, как правило, представляют собой собственно датчик и узел усиления, собранные в одном корпусе. В зависимости от назначения прибора он дополнительно может иметь в своем составе пороговый элемент (переключатель Холла), аналого-цифровой преобразователь и даже встроенный интерфейс I2C для сопряжения с микроконтроллерными системами.
Ну а теперь непосредственно о применении. Сегодня датчики и переключатели Холла можно встретить практически в каждой технической области. Вот только небольшая их часть:
Электротехника. При помощи такого датчика совсем несложно провести бесконтактное измерение тока в проводнике. Преимущества такого метода очевидны – не нужен токоизмерительный резистор, гальваническая развязка, оперативность
Определение положения. Переключатели, работающие на этом эффекте, широко используются в электронной аппаратуре в качестве концевых и положения. К примеру, некоторые принтеры при помощи таких датчиков следят за положением печатающей головки и наличием бумаги. В электроскейтах эти приборы следят за положением центра тяжести пилота.
Автомобилестроение. Сегодня подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания оснащаются датчиками, отвечающими за правильный впрыск топлива и своевременное зажигание.
Измерение скорости вращения. В тех же электроскейтах эти приборы синхронизируют скорость вращения колес. Есть такие датчики и в электросамокатах, и велосипедах.
В ПК и многих электрических машинах «посерьезнее» эти приборы следят за правильной работой вентиляторов охлаждения. Также датчики можно найти в шаговых двигателях, в которых они используются для управления и стабилизации скорости вращения.
Управление. Переключатели, работающие на эффекте Холла, широко используются в системах ручного и автоматического ввода информации. Один из примеров – клавиатура терминала БЭВМ, от которой требуется повышенная надежность.
Управление всеми Луноходами, кстати, производилось при помощи джойстиков, собранных тоже на датчиках Холла.
Оценка величины магнитного поля. Наиболее яркий пример – компас в смартфоне.
Здесь используется аналоговый высокочувствительный датчик, определяющий направление магнитного поля Земли.
Используются аналоговые датчики и для измерения, так сказать, «технического» магнитного поля, создаваемого теми или иными электроустановками.
И это, еще раз заметим, только небольшая часть примеров. Вот, в принципе, и все об этом интересном и полезном приборе, использующем эффект американского физика Эдвина Холла, который сегодня широко используется практически во всех отраслях науки и техники.
1 просмотр
17 мар в 20:01
