Магнитоэлектрические преобразователи

   Если  в магнитное поле с индукцией поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток, то на электроны, движущиеся со скоростью в магнитном поле, действует сила Лоренца, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной  стороне скапливаются положительные заряды. 
 

   Рис. 3. Действие силы Лоренца на движущийся отрицательный заряд 

   В дырочном полупроводнике знаки зарядов  на поверхностях меняются на противоположные. 
 

   Рис. 4. Действие силы Лоренца на движущийся положительный заряд 

   Рис. 5. Техническая реализация эффекта Холла в датчике Холла 
 

Рис. 6. Эффект Холла

1 — электроны; 2 — датчик Холла; 3 — магниты; 4 — магнитное поле; 5 — источник  тока 

   Если  магнитное поле напряжённости H перпендикулярно направлению течения тока силы I, то разность потенциалов, возникающая между боковыми сторонами проводника ширины d:

   Величина  R_Х называется постоянной Холла. Если ток в проводнике (или полупроводнике) представляет собой поток свободных носителей заряда, то холловская постоянная для металлов равна:

где n — концентрация носителей, а e — их заряд.

   По  знаку постоянной Холла определяют тип проводимости полупроводника. При  электронной проводимости q = –e (e – заряд электрона) и R < 0.  При дырочной проводимости q = e и R > 0. По величине R можно определить  концентрацию носителей тока. 

   Разность  потенциалов прямо пропорциональна  силе тока, из-за чего можно ввести холловское сопротивление, которое для заданной системы постоянно и не зависит от силы протекающего тока. 

   Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом (E.Hall; 1855–1938), который в 1879 году первым измерил поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля по вышеописанной схеме.

   Прошло  более столетия после экспериментов  Холла, и германский физик Клаус  фон Клитцинг (Klaus von Klitzing) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике. В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квази-двумерном электронном газе) начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к квантовому эффекту Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости. 

   Эффект  Холла применяется в работе синхрофазотрона, который используется в исследованиях в области физики элементарных частиц: в нём заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную магнитную ловушку и летают по кругу внутри неё. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи — в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.

   Эффект  Холла также используется в генераторах  Холла и датчиках тока.

   Генератор Холла — измерительный прибор для определения индукции магнитного поля. Его принцип действия основан на измерении ЭДС Холла U_Х, пропорциональной магнитной индукции поля, при постоянном управляющем токе I_st. При помощи добавочного сопротивления R_V устанавливается оптимальное значение управляющего тока, которое контролируется вольтметром через падение напряжения на резисторе R_N. Этот же вольтметр переключается для измерения ЭДС Холла. При наличии двух прямоугольных расположенных напротив друг друга датчиков Холла можно определить направление  магнитного поля. 

Рис. 7. Генератор Холла

Н –  датчик Холла; selector – переключатель  вольтметра 
 
 

   Описание  установки 

   Общий вид лабораторной установки показан  на рис. 
 
 

   Рис. 8. Лабораторная установка 

   На  рисунке: 

       1 – датчик Холла, закреплённый  на держателе

       2 – Вольтметр

       3 – Источник постоянного тока

       4 – Тестер 
 
 
 

   Рис. 9. Исследуемый магнит, помещённый в защитный кожух 
 
 

   Порядок работы 

   1. Включите тестер в режиме измерения постоянного тока (DCA) на пределе измерений 200 мА (200m).

   2. Включите источник постоянного тока Б5-49 и подайте с него на выводы датчика Холла постоянный ток величиной 3 мА, пользуясь показаниями тестера.

   3. Включите прибор Щ4313 в режиме измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Данный прибор в ходе измерений служит для отображения величины ЭДС Холла U_Х.

   4. Пользуясь датчиком Холла, определите  распределение силовых линий  магнитного поля постоянного магнита. Для этого воспользуйтесь сеткой миллиметровки, самостоятельно выбрав начало отсчёта для измерений и шаг измерений.

   5. Определите значение индукции  магнитного поля. Значение чувствительности  для использующегося в работе датчика ДХК-05 можно взять в Приложении 1.

   6. Занесите результаты измерений и расчётов в отчёт.

Приложение 1. Характеристики датчика Холла ДХК-0.5А

   Назначение

   Датчик  Холла ДХК-0.5А предназначен для  преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Принципом  работы служит эффект Холла. Выполнен на основе планарной топологической структуры, сформированной на поверхности кремниевого кристалла.

   Основные технические характеристики:

• Номинальный управляющий ток - 3 мА.
• Напряжение Холла при магнитной индукции 0.25 Тл и номинальном управляющем токе - 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Тл).
• Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе - не более 7 мВ (значение этого параметра зависит от условий поставки).
• Входное сопротивление - 1.8 ... 3 кОм (сопротивление между выводами Iх).
• Выходное сопротивление - не более 3 кОм (сопротивление между выводами Uх).
• Масса - не более 2.5 г.

   Конструкция: 

-Iх и +Iх  - выводы для подключения источника  управляющего тока (токовые выводы); 
-Uх и +Uх - выводы выходного сигнала (холловские выводы); 
сопротивление между токовыми выводами меньше, чем между холловскими.

Выходное напряжение в мВ: 
+Uх - (-Uх) = K*(Iх : 3)*B, 
где Iх - значение управляющего тока в мА, 
K - чувствительность в мВ/Тл (около 280 мВ/Тл), 
B - величина магнитной индукции в Тл.

   Датчик  ДХК-0.5А является знакочувствительным  как по отношению к направлению  магнитной индукции, так и по отношению  к полярности управляющего тока.

   Простая схема подключения датчика ДХК-0.5А: