Adiabatinis neigiamas ir teigiamas Hall efektas

Srovę tekančiame laide, įdėtame į magnetinį lauką, elektros srovės ir magnetinio lauko kryptims statmena kryptimi indukuojama įtampa. Tokios įtampos atsiradimo reiškinys vadinamas Holo efektu, o pati indukuota įtampa vadinama Holo įtampa.

1879 m. amerikiečių fizikas Edvinas Holas (1855–1938), dirbdamas su disertacija, atrado įdomų efektą. Jis paėmė ploną auksinę plokštelę, kurioje teka nuolatinė srovė, ir įdėjo ją į magnetinį lauką, statmeną plokštės plokštumai. Šiuo atveju tarp plokštės kraštų atsirado papildomas elektrinis laukas. Vėliau šis reiškinys buvo pavadintas atradėjo vardu. Holo efektas buvo plačiai pritaikytas: jis naudojamas magnetinio lauko indukcijai matuoti (Hall jutikliai), taip pat laidžių medžiagų fizikinėms savybėms tirti (naudojant Holo efektą galima apskaičiuoti srovės nešėjų koncentraciją ir jų ženklas).

Holo srovės efekto jutiklio modulis ACS712 5A

Yra dviejų tipų elektros srovės nešikliai - teigiami nešikliai, judantys viena kryptimi, ir neigiami nešikliai, judantys priešinga kryptimi.

Neigiami nešėjai, judantys tam tikra kryptimi per magnetinį lauką, patiria jėgą, kuri linkusi nukreipti jų judėjimą iš tiesaus kelio. Teigiami nešikliai, keliaujantys priešinga kryptimi per tą patį magnetinį lauką, yra nukreipiami ta pačia kryptimi kaip ir neigiami nešikliai.

Dėl tokio visų srovės nešėjų, veikiančių Lorenco jėgų, nukrypimo į tą pačią laidininko pusę, susidaro nešėjų populiacijos gradientas, o vienoje laidininko pusėje nešėjų skaičius tūrio vienete bus didesnis nei ant kito.

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodytas bendras šio proceso rezultatas, kai yra vienodas dviejų tipų nešėjų skaičius.

Čia galimi gradientai, kuriuos sukuria dviejų tipų nešikliai, yra nukreipti vienas prieš kitą, todėl jų įtakos negalima aptikti stebint iš išorės. Jei vieno tipo nešėjų yra daugiau nei kito tipo nešėjų, tai nešiklio populiacijos gradientas sukuria Holo gradiento potencialą, dėl kurio galima aptikti laidui taikomą Holo įtampą.

Adiabatinis neigiamas Hall efektas. Jei tik elektronai yra krūvininkai, tai temperatūros gradientas ir elektrinio potencialo gradientas nukreipti priešingomis kryptimis.

Adiabatinis Holo efektas. Jei tik skylės yra krūvininkai, tada temperatūros gradientas ir elektrinio potencialo gradientas yra ta pačia kryptimi

Jei srovė per laidą, veikiama Hall įtampos, yra neįmanoma, tada tarp Lorentzo pajėgomis o per Holą nusistovi įtampos pusiausvyra.

Šiuo atveju Lorentzo jėgos linkusios sukurti nešiklio populiacijos gradientą išilgai laido, o Hall įtampa linkusi atkurti vienodą populiacijos pasiskirstymą visame laido tūryje.

Holo elektrinio lauko, nukreipto statmenai d srovės ir magnetinio lauko kryptims, stiprumas (įtampa storio vienetui) nustatomas pagal šią formulę:

Fz = KzVJ,

kur K.z – Holo koeficientas (jo ženklas ir absoliuti reikšmė gali labai skirtis priklausomai nuo konkrečių sąlygų); B - magnetinė indukcija, o J - srovės, tekančios laidininku, tankis (srovės vertė laidininko skerspjūvio ploto vienetui).

Paveikslėlyje parodytas medžiagos lapas, kuris, kai jo galai prijungti prie akumuliatoriaus, praleidžia stiprią srovę i. Jei išmatuosime potencialų skirtumą tarp priešingų pusių, tai duos mums nulį, kaip parodyta paveikslėlyje kairėje. Situacija pasikeičia, kai magnetinis laukas B taikomas statmenai srovei lape, pamatysime, kad tarp priešingų pusių atsiranda labai mažas potencialų skirtumas V3, kaip parodyta paveikslėlyje dešinėje.

Terminas „adiabatinis“ vartojamas apibūdinti sąlygoms, kai nėra šilumos srauto iš išorės į nagrinėjamą sistemą arba iš jos.

Abiejose laido pusėse yra izoliacinės medžiagos sluoksniai, neleidžiantys šilumai ir srovei tekėti skersine kryptimi.

Kadangi Holo įtampa priklauso nuo netolygaus nešėjų pasiskirstymo, ji gali būti palaikoma kūno viduje tik tuo atveju, jei energija tiekiama iš kokio nors šaltinio, esančio išoriniame kūne.Ši energija gaunama iš elektrinio lauko, kuris sukuria pradinę srovę medžiagoje. Galvanomagnetinėje medžiagoje nustatomi du potencialų gradientai.

Pradinis potencialo gradientas apibrėžiamas kaip pradinis srovės tankis, padaugintas iš medžiagos varžos, o Holo potencialo gradientas apibrėžiamas kaip pradinis srovės tankis, padaugintas iš Holo koeficiento.

Kadangi šie du gradientai yra vienas kitą statmeni, galime laikyti jų vektorių sumą, kurios kryptis tam tikru kampu nukryps nuo pradinės srovės krypties.

Šis kampas, kurio reikšmė nustatoma pagal srovės kryptimi orientuoto elektrinio lauko ir srovės kryptimi sukuriamo elektrinio lauko jėgų santykį, vadinamas Holo kampu. Jis gali būti teigiamas arba neigiamas srovės krypties atžvilgiu, priklausomai nuo to, kurie nešėjai yra dominuojantys - teigiami ar neigiami.

Hall efekto artumo jutiklis

Hallo efektas pagrįstas nešiklio, kurio vyraujantis druskingumas, poveikio mechanizmu, kuris priklauso nuo bendrų laidžios medžiagos fizikinių savybių. Metalams ir n tipo puslaidininkiams elektronai yra nešikliai, p tipo puslaidininkiams – skylės.

Srovę nešantys krūviai nukreipiami į tą pačią laido pusę kaip ir elektronai. Jei skylės ir elektronai turi vienodą koncentraciją, jie sukuria dvi priešingas Holo įtampas. Jei jų koncentracijos skiriasi, tada viena iš šių dviejų Holo įtampų vyrauja ir gali būti išmatuota.

Teigiamų nešėjų Hall įtampa, reikalinga nešiklio deformacijai, veikiant Lorenco jėgoms, neutralizuoti yra priešinga atitinkamai neigiamų nešėjų įtampai. N tipo metaluose ir puslaidininkiuose ši įtampa gali net pasikeisti, kai pasikeičia išorinis laukas arba temperatūra.

Holo jutiklis yra elektroninis prietaisas, skirtas aptikti Holo efektą ir konvertuoti jo rezultatus į duomenis. Šie duomenys gali būti naudojami grandinėms įjungti ir išjungti, gali būti apdorojami kompiuteriu ir gali sukelti įvairius įrenginio gamintojo ir programinės įrangos teikiamus efektus.

Praktiškai Hall jutikliai yra paprastos, nebrangios mikroschemos, kurios naudoja magnetinius laukus, kad aptiktų tokius kintamuosius kaip mechaninės sistemos artėjimas, greitis ar poslinkis.

Holo jutikliai yra bekontakčiai, tai reiškia, kad jiems nereikia liestis su jokiais fiziniais elementais, jie gali generuoti skaitmeninį arba analoginį signalą, priklausomai nuo jų konstrukcijos ir paskirties.

Holo efekto jutiklius galima rasti mobiliuosiuose telefonuose, GPS įrenginiuose, kompasuose, standžiuosiuose diskuose, varikliuose be šepetėlių, gamyklų surinkimo linijose, automobiliuose, medicinos prietaisuose ir daugelyje daiktų interneto įtaisų.

Hall efekto taikymas: Salės jutikliai ir Magnetinių dydžių matavimas