Hiệu ứng Hall âm và dương đáng tin cậy

Trong một ống dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường đều xuất hiện một hiệu điện thế có phương vuông góc với phương của dòng điện và của từ trường. Hiện tượng xuất hiện một điện áp như vậy được gọi là hiệu ứng Hall, và điện áp cảm ứng được gọi là điện áp Hall.

Năm 1879, nhà vật lý người Mỹ Edwin Hall (1855-1938) khi đang thực hiện luận án của mình đã phát hiện ra một hiệu ứng thú vị. Ông lấy một tấm vàng mỏng mang dòng điện một chiều và đặt nó trong từ trường vuông góc với mặt phẳng của tấm. Trong trường hợp này, một điện trường bổ sung xuất hiện giữa các cạnh của tấm. Sau đó, hiện tượng này được đặt theo tên của người phát hiện ra. Hiệu ứng Hall đã được ứng dụng rộng rãi: nó được sử dụng để đo cảm ứng từ trường (cảm biến Hall), cũng như nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu dẫn điện (sử dụng hiệu ứng Hall, người ta có thể tính toán nồng độ của các hạt tải điện hiện tại và dấu của chúng).

Mô-đun cảm biến hiệu ứng dòng Hall ACS712 5A

Có hai loại hạt tải điện - hạt tải điện dương chuyển động theo một hướng và hạt tải điện âm chuyển động theo hướng ngược lại.

Các hạt mang điện âm chuyển động theo một hướng nhất định trong từ trường chịu một lực có xu hướng chuyển hướng chuyển động của chúng khỏi đường thẳng. Các hạt tải điện dương chuyển động ngược chiều trong cùng một từ trường thì bị lệch cùng chiều với các hạt tải điện âm.

Do sự sai lệch như vậy của tất cả các hạt tải điện hiện tại dưới tác động của lực Lorentz về cùng một phía của dây dẫn, độ dốc mật độ hạt tải điện được thiết lập và ở một phía của dây dẫn, số lượng hạt tải điện trên một đơn vị thể tích sẽ lớn hơn mặt khác.

Hình bên dưới minh họa kết quả chung của quá trình này khi có số lượng sóng mang của hai loại bằng nhau.

Ở đây, các gradient tiềm năng được tạo ra bởi hai loại sóng mang được định hướng ngược lại với nhau, do đó ảnh hưởng của chúng không thể được phát hiện khi quan sát từ bên ngoài. Nếu các hạt tải điện của một loại nhiều hơn các hạt tải điện của loại khác, thì gradien dân số hạt tải điện sẽ tạo ra điện thế gradien Hall, do đó có thể phát hiện được điện áp Hall đặt vào dây.

Hiệu ứng Hall âm đoạn nhiệt. Nếu chỉ có các electron là hạt tải điện, thì gradien nhiệt độ và gradien điện thế ngược chiều nhau.

Hiệu ứng Hall đoạn nhiệt. Nếu chỉ có lỗ trống là hạt tải điện thì gradien nhiệt độ và gradien điện thế cùng chiều

Nếu dòng điện qua dây dẫn dưới tác dụng của hiệu điện thế Hall là không thể xảy ra thì giữa bởi lực lượng Lorentz và thông qua cân bằng điện áp Hall được thiết lập.

Trong trường hợp này, lực Lorentz có xu hướng tạo ra một gradient mật độ hạt tải điện dọc theo dây dẫn, trong khi điện áp Hall có xu hướng khôi phục lại sự phân bố mật độ hạt tải điện đồng đều trong toàn bộ thể tích của dây dẫn.

Cường độ (điện áp trên một đơn vị độ dày) của điện trường Hall hướng vuông góc với hướng d của dòng điện và từ trường được xác định theo công thức sau:

Fz = KzVJ,

trong đó K.z - Hệ số Hall (dấu và giá trị tuyệt đối của nó có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể); B - cảm ứng từ và J là mật độ dòng điện chạy trong dây dẫn (giá trị cường độ dòng điện trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn).

Hình minh họa một tấm vật liệu dẫn dòng điện i mạnh khi các đầu của nó được nối với pin. Nếu chúng ta đo sự khác biệt tiềm năng giữa các mặt đối diện, nó sẽ cho chúng ta số không, như thể hiện trong hình bên trái. Tình huống thay đổi khi đặt từ trường B vuông góc với dòng điện trong tấm, ta sẽ thấy giữa các mặt đối diện xuất hiện một hiệu điện thế rất nhỏ V3 như hình vẽ bên phải.

Thuật ngữ «đoạn nhiệt» được sử dụng để mô tả các điều kiện không có dòng nhiệt từ bên ngoài vào hoặc từ hệ thống đang được xem xét.

Hai mặt của dây có các lớp vật liệu cách điện để ngăn cản sự truyền nhiệt và dòng điện theo chiều ngang.

Vì điện áp Hall phụ thuộc vào sự phân bố không đều của các hạt tải điện nên nó chỉ có thể được duy trì bên trong cơ thể nếu năng lượng được cung cấp từ một số nguồn bên ngoài cơ thể.Năng lượng này đến từ một điện trường tạo ra một dòng điện ban đầu trong chất. Hai gradient tiềm năng được thiết lập trong một chất điện từ.

Độ dốc tiềm năng ban đầu được định nghĩa là mật độ dòng điện ban đầu nhân với điện trở của chất và độ dốc tiềm năng Hall được định nghĩa là mật độ dòng điện ban đầu nhân với hệ số Hall.

Vì hai gradient này vuông góc với nhau, nên chúng ta có thể coi tổng vectơ của chúng, hướng của chúng sẽ bị lệch một góc so với hướng của dòng điện ban đầu.

Góc này, giá trị của nó được xác định bằng tỷ số của lực điện trường hướng theo dòng điện và lực điện trường tạo ra theo hướng dòng điện, được gọi là góc Hall. Nó có thể dương hoặc âm đối với hướng của dòng điện, tùy thuộc vào hạt tải điện nào chiếm ưu thế—dương hay âm.

Cảm biến tiệm cận hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall dựa trên cơ chế ảnh hưởng của chất mang có độ mặn chiếm ưu thế, cơ chế này phụ thuộc vào tính chất vật lí chung của chất dẫn. Đối với kim loại và chất bán dẫn loại n, electron là hạt tải điện, đối với chất bán dẫn loại p - lỗ trống.

Các điện tích mang dòng điện bị lệch về cùng một phía của dây dẫn với các electron. Nếu lỗ trống và electron có cùng nồng độ, chúng tạo ra hai điện áp Hall ngược chiều. Nếu nồng độ của chúng khác nhau, thì một trong hai điện áp Hall này chiếm ưu thế và có thể đo được.

Đối với các hạt tải điện dương, điện áp Hall cần thiết để chống lại sự lệch của hạt tải điện dưới tác động của lực Lorentz ngược với điện áp tương ứng đối với các hạt tải điện âm. Trong kim loại và chất bán dẫn loại n, điện áp này thậm chí có thể thay đổi dấu khi trường bên ngoài hoặc nhiệt độ thay đổi.

Cảm biến Hall là một thiết bị điện tử được thiết kế để phát hiện hiệu ứng Hall và chuyển đổi kết quả của nó thành dữ liệu. Dữ liệu này có thể được sử dụng để bật và tắt mạch, có thể được xử lý bằng máy tính và có thể gây ra nhiều tác động khác nhau do nhà sản xuất thiết bị và phần mềm cung cấp.

Trong thực tế, cảm biến Hall là vi mạch đơn giản, rẻ tiền, sử dụng từ trường để phát hiện các biến số như cách tiếp cận, tốc độ hoặc độ dịch chuyển của một hệ cơ học.

Cảm biến Hall không tiếp xúc, có nghĩa là chúng không cần tiếp xúc với bất kỳ yếu tố vật lý nào, chúng có thể tạo ra tín hiệu kỹ thuật số hoặc tín hiệu tương tự, tùy thuộc vào thiết kế và mục đích của chúng.

Cảm biến hiệu ứng Hall có thể được tìm thấy trong điện thoại di động, thiết bị GPS, la bàn, ổ cứng, động cơ không chổi than, dây chuyền lắp ráp nhà máy, ô tô, thiết bị y tế và nhiều tiện ích Internet of Things.

Ứng dụng hiệu ứng Hall: cảm biến hội trường Và Đo đại lượng từ tính