Adiabaatiline negatiivne ja positiivne Halli efekt

Magnetvälja asetatud voolu juhtivas juhtmes indutseeritakse pinge suunas, mis on risti elektrivoolu ja magnetvälja suundadega. Sellise pinge ilmnemise nähtust nimetatakse Halli efektiks ja indutseeritud pinget ennast nimetatakse Halli pingeks.

1879. aastal avastas Ameerika füüsik Edwin Hall (1855-1938) oma väitekirja kallal töötades huvitava efekti. Ta võttis õhukese alalisvoolu kandva kuldplaadi ja asetas selle plaadi tasapinnaga risti magnetvälja. Sel juhul tekkis plaadi servade vahele täiendav elektriväli. Hiljem nimetati see nähtus avastaja järgi. Halli efekt on leidnud laialdast rakendust: seda kasutatakse magnetvälja induktsiooni mõõtmiseks (Halli andurid), samuti juhtivate materjalide füüsikaliste omaduste uurimiseks (Halli efekti abil saab arvutada voolukandjate kontsentratsiooni ja nende märk).

Halli vooluefekti anduri moodul ACS712 5A

Elektrivoolukandjaid on kahte tüüpi – ühes suunas liikuvad positiivsed ja vastupidises suunas liikuvad negatiivsed.

Magnetvälja kaudu teatud suunas liikuvad negatiivsed kandjad kogevad jõudu, mis kaldub nende liikumist sirgelt teelt kõrvale suunama. Positiivsed kandjad, mis liiguvad vastassuunas läbi sama magnetvälja, kalduvad samas suunas kui negatiivsed kandjad.

Kõigi Lorentzi jõudude mõjul olevate voolukandjate sellise kõrvalekalde tulemusena juhi samale küljele luuakse kandjate populatsiooni gradient ja juhi ühel küljel on kandjate arv mahuühiku kohta suurem kui teiselt poolt.

Allolev joonis illustreerib selle protsessi üldist tulemust, kui kahte tüüpi kandjaid on võrdne arv.

Siin on kahte tüüpi kandjate tekitatud potentsiaalsed gradiendid suunatud üksteise vastu, nii et nende mõju ei saa väljastpoolt vaadeldes tuvastada. Kui ühte tüüpi kandjaid on rohkem kui teist tüüpi kandjaid, siis genereerib kandepopulatsiooni gradient Halli gradiendi potentsiaali, mille tulemusena saab tuvastada juhtmele rakendatud Halli pinge.

Adiabaatiline negatiivne Halli efekt. Kui ainult elektronid on laengukandjad, siis temperatuurigradient ja elektripotentsiaali gradient on vastupidised.

Adiabaatiline Halli efekt. Kui ainult augud on laengukandjad, siis temperatuurigradient ja elektripotentsiaali gradient osutavad samas suunas

Kui vool läbi juhtme Halli pinge mõjul on võimatu, siis vahel Lorentzi vägede poolt ja Halli kaudu saavutatakse pinge tasakaal.

Sel juhul kipuvad Lorentzi jõud tekitama kandepopulatsiooni gradiendi piki traati, samas kui Halli pinge kipub taastama ühtlase populatsiooni jaotuse kogu traadi ulatuses.

Halli elektrivälja tugevus (pinge paksuseühiku kohta), mis on suunatud d voolu ja magnetvälja suundadega risti, määratakse järgmise valemiga:

Fz = KzVJ,

kus K.z – Halli koefitsient (selle märk ja absoluutväärtus võivad olenevalt konkreetsetest tingimustest oluliselt erineda); B - magnetinduktsioon ja J on juhis voolava voolu tihedus (voolu väärtus juhi ristlõikepinna ühiku kohta).

Joonisel on kujutatud materjalilehte, mis juhib tugevat voolu i, kui selle otsad on ühendatud akuga. Kui mõõdame vastaskülgede potentsiaalset erinevust, annab see meile nulli, nagu on näidatud vasakpoolsel joonisel. Olukord muutub, kui magnetväli B rakendatakse lehe vooluga risti, siis näeme, et vastaskülgede vahel tekib väga väike potentsiaalide erinevus V3, nagu on näidatud parempoolsel joonisel.

Mõistet «adiabaatiline» kasutatakse tingimuste kirjeldamiseks, mille puhul puudub soojusvoog väljast vaadeldavasse süsteemi või süsteemist välja.

Traadi mõlemal küljel on isolatsioonimaterjali kihid, et vältida soojuse ja voolu liikumist risti.

Kuna Halli pinge oleneb kandjate ebaühtlasest jaotusest, saab seda keha sees hoida ainult siis, kui energia tarnitakse mõnest kehavälisest allikast.See energia tuleb elektriväljast, mis loob aines algvoolu. Galvanomagnetilises aines luuakse kaks potentsiaalset gradienti.

Algne potentsiaaligradient on defineeritud kui algne voolutihedus, mis on korrutatud aine takistusega, ja Halli potentsiaaligradient on defineeritud kui esialgne voolutihedus, mis on korrutatud Halli koefitsiendiga.

Kuna need kaks gradienti on üksteisega risti, võime arvestada nende vektorite summaga, mille suund kaldub mõne nurga võrra kõrvale algvoolu suunast.

Seda nurka, mille väärtuse määrab voolu suunas orienteeritud elektrivälja jõudude ja voolu suunas tekkiva elektrivälja jõudude suhe, nimetatakse Halli nurgaks. See võib olla voolu suuna suhtes positiivne või negatiivne, olenevalt sellest, millised kandjad on domineerivad – positiivsed või negatiivsed.

Halli efekti lähedusandur

Halli efekt põhineb valdava soolsusega kandja mõjumehhanismil, mis sõltub juhtiva aine üldistest füüsikalistest omadustest. Metallide ja n-tüüpi pooljuhtide puhul on elektronid kandjad, p-tüüpi pooljuhtide puhul augud.

Voolu kandvad laengud suunatakse elektronidega samale juhtmepoolele. Kui aukudel ja elektronidel on sama kontsentratsioon, tekitavad nad kaks vastandlikku Halli pinget. Kui nende kontsentratsioonid on erinevad, siis üks neist kahest Halli pingest on ülekaalus ja seda saab mõõta.

Positiivsete kandjate puhul on Lorentzi jõudude mõjul tekkivate kandja läbipainde neutraliseerimiseks vajalik Halli pinge vastupidine negatiivsete kandjate vastavale pingele. N-tüüpi metallides ja pooljuhtides võib see pinge välisvälja või temperatuuri muutumisel isegi märki muuta.

Halli andur on elektrooniline seade, mis on loodud Halli efekti tuvastamiseks ja selle tulemuste andmeteks teisendamiseks. Neid andmeid saab kasutada vooluahelate sisse- ja väljalülitamiseks, neid saab töödelda arvuti ja need võivad põhjustada seadme tootja ja tarkvara pakutavaid erinevaid efekte.

Praktikas on Halli andurid lihtsad ja odavad mikroskeemid, mis kasutavad magnetvälju, et tuvastada selliseid muutujaid nagu mehaanilise süsteemi lähenemine, kiirus või nihe.

Halli andurid on mittekontaktsed, mis tähendab, et nad ei pea kokku puutuma ühegi füüsilise elemendiga, nad võivad genereerida digitaalset või analoogsignaali, olenevalt nende konstruktsioonist ja otstarbest.

Halli efekti andureid võib leida mobiiltelefonidest, GPS-seadmetest, kompassidest, kõvaketastest, harjadeta mootoritest, tehase koosteliinidest, autodest, meditsiiniseadmetest ja paljudest asjade Interneti vidinatest.

Halli efekti rakendus: Halli andurid ja Magnetsuuruste mõõtmine