1. Che cos'è l'effetto Hall?

L'effetto Hall è causato dall'interazione tra i campi elettrici e magnetici corrispondenti delle particelle cariche (come gli elettroni). Per una comprensione più vivida e intuitiva, potete fare riferimento al diagramma animato del principio dell'effetto Hall qui sotto.

2. Principio dell'effetto Hall

Quando una piastra conduttiva viene collegata a un circuito con una batteria, la corrente inizia a fluire. I portatori di carica si muovono lungo un percorso lineare da un'estremità all'altra della piastra. Il movimento dei portatori di carica genera un campo magnetico. Quando un magnete viene posizionato vicino alla piastra, il campo magnetico dei portatori di carica viene distorto, interrompendo il flusso rettilineo dei portatori di carica. La forza che altera la direzione del flusso dei portatori di carica è chiamata forza di Lorentz.

A causa della distorsione del campo magnetico dei portatori di carica, gli elettroni caricati negativamente si deflessioneranno verso un lato della piastra, mentre le lacune caricate positivamente si deflessioneranno verso l'altro lato. Tra i due lati della piastra si genererà una differenza di potenziale, nota come tensione di Hall, che può essere misurata con uno strumento.

Effetto Hall e forza di Lorentz: la freccia blu B rappresenta il campo magnetico che passa verticalmente attraverso la piastra conduttiva

Il principio dell'effetto Hall afferma che quando un conduttore o un semiconduttore percorso da corrente viene introdotto in un campo magnetico perpendicolare, è possibile misurare una tensione in una posizione perpendicolare al percorso della corrente.

La tensione di Hall, indicata con VH, è data dalla formula:

· VH è la tensione di Hall sulla piastra conduttiva

· I è la corrente che scorre attraverso il sensore

· B è l'intensità del campo magnetico

· q è la carica

· n è il numero di portatori di carica per unità di volume

· d è lo spessore del sensore

3. Principio dei sensori ad effetto Hall

Quando la densità del flusso magnetico attorno al sensore supera una soglia preimpostata, il sensore la rileva e genera una tensione di uscita chiamata tensione di Hall (VH). Il principio specifico è illustrato nella figura seguente.

Un sensore a effetto Hall è costituito essenzialmente da un sottile pezzo rettangolare di materiale semiconduttore di tipo p, come l'arseniuro di gallio (GaAs), l'antimoniuro di indio (InSb) o l'arseniuro di indio (InAs), attraverso il quale passa una corrente continua.

Schema del sensore ad effetto Hall

Quando un sensore a effetto Hall viene immerso in un campo magnetico, le linee di flusso magnetico esercitano una forza sul materiale semiconduttore, causando la deviazione dei portatori di carica (elettroni e lacune) verso entrambi i lati della piastra semiconduttrice. Questo movimento dei portatori di carica è il risultato della forza magnetica che subiscono mentre attraversano il materiale semiconduttore.

Quando questi elettroni e lacune si muovono lateralmente, si genera una differenza di potenziale tra i due lati del materiale semiconduttore a causa dell'accumulo di questi portatori di carica. Il movimento degli elettroni attraverso il materiale semiconduttore è quindi influenzato da un campo magnetico esterno perpendicolare ad esso, e questo effetto è più pronunciato nei materiali piatti e rettangolari.

L'effetto Hall fornisce informazioni sul tipo di polo magnetico e sull'intensità del campo magnetico. Ad esempio, un polo sud indurrà il dispositivo a produrre una tensione in uscita, mentre un polo nord non avrà alcun effetto. In genere, i sensori e gli interruttori a effetto Hall sono progettati per essere in stato "off" (stato di circuito aperto) in assenza di campo magnetico. Si "accendono" (stato di circuito chiuso) solo quando esposti a un campo magnetico di intensità e polarità sufficienti.

4. Sensori ad effetto Hall

Nella sua forma più semplice, il sensore funziona come un sensore analogico, restituendo direttamente una tensione. Con un campo magnetico noto, è possibile determinare la distanza dalla piastra di Hall. Utilizzando un gruppo di sensori, è possibile dedurre la posizione relativa del magnete.

Solitamente, i sensori a effetto Hall sono combinati con circuiti che consentono al dispositivo di funzionare in modalità digitale (on/off) e, in questa configurazione, possono essere definiti interruttori. La figura seguente mostra una ruota con due magneti che passa davanti a un sensore a effetto Hall.