1. Czym jest efekt Halla?

Efekt Halla jest spowodowany interakcją między odpowiednimi polami elektrycznymi i magnetycznymi cząstek naładowanych (takich jak elektrony). Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, zapoznaj się z animacją efektu Halla poniżej.

2. Zasada efektu Halla

Po podłączeniu przewodzącej płytki do obwodu z baterią, zaczyna płynąć prąd. Nośniki ładunku poruszają się po liniowej ścieżce od jednego końca płytki do drugiego. Ruch nośników ładunku generuje pole magnetyczne. Gdy magnes zostanie umieszczony blisko płytki, pole magnetyczne nośników ładunku ulega zniekształceniu, co zakłóca ich prostoliniowy przepływ. Siła, która zaburza kierunek przepływu nośników ładunku, nazywa się siłą Lorentza.

Z powodu zniekształcenia pola magnetycznego nośników ładunku, elektrony o ładunku ujemnym odchylają się na jedną stronę płytki, a dziury o ładunku dodatnim – na drugą stronę. Pomiędzy obiema stronami płytki powstaje różnica potencjałów, zwana napięciem Halla, którą można zmierzyć za pomocą przyrządu.

Efekt Halla i siła Lorentza: niebieska strzałka B przedstawia pole magnetyczne przechodzące pionowo przez płytę przewodzącą

Zasada efektu Halla głosi, że gdy przewodnik lub półprzewodnik, przez który płynie prąd, zostanie wprowadzony w prostopadłe pole magnetyczne, można zmierzyć napięcie w położeniu prostopadłym do ścieżki prądu.

Napięcie Halla, oznaczane jako VH, oblicza się według wzoru:

· VH to napięcie Halla na płytce przewodzącej

· I to prąd płynący przez czujnik

· B to natężenie pola magnetycznego

· q jest ładunkiem

· n to liczba nośników ładunku na jednostkę objętości

· d to grubość czujnika

3. Zasada działania czujników Halla

Gdy gęstość strumienia magnetycznego wokół czujnika przekroczy określony próg, czujnik to wykryje i wygeneruje napięcie wyjściowe zwane napięciem Halla (VH). Szczegółową zasadę działania przedstawiono na poniższym rysunku.

Czujnik efektu Halla składa się zasadniczo z cienkiego, prostokątnego kawałka materiału półprzewodnikowego typu p, takiego jak arsenek galu (GaAs), antymonek indu (InSb) lub arsenek indu (InAs), przez który przepływa ciągły prąd.

Schematyczny diagram czujnika efektu Halla

Gdy czujnik z efektem Halla zostanie umieszczony w polu magnetycznym, linie strumienia magnetycznego wywierają siłę na materiał półprzewodnikowy, powodując odchylenie nośników ładunku (elektronów i dziur) na obie strony płytki półprzewodnikowej. Ten ruch nośników ładunku jest wynikiem siły magnetycznej, której doświadczają podczas przechodzenia przez materiał półprzewodnikowy.

Gdy elektrony i dziury poruszają się na boki, między obiema stronami materiału półprzewodnikowego powstaje różnica potencjałów spowodowana akumulacją tych nośników ładunku. Na ruch elektronów w materiale półprzewodnikowym wpływa następnie zewnętrzne pole magnetyczne prostopadłe do niego, a efekt ten jest wyraźniejszy w płaskich materiałach o kształcie prostokąta.

Efekt Halla dostarcza informacji o rodzaju bieguna magnetycznego i natężeniu pola magnetycznego. Na przykład, biegun południowy spowoduje, że urządzenie wygeneruje napięcie wyjściowe, podczas gdy biegun północny nie będzie miał żadnego wpływu. Zazwyczaj czujniki i przełączniki z efektem Halla są projektowane tak, aby znajdowały się w stanie „wyłączonym” (obwód otwarty), gdy nie występuje pole magnetyczne. „Włączają się” (obwód zamknięty) dopiero po wystawieniu na działanie pola magnetycznego o wystarczającej sile i polaryzacji.

4. Czujniki efektu Halla

W najprostszej formie czujnik działa jak czujnik analogowy, bezpośrednio zwracając napięcie. Znając pole magnetyczne, można określić odległość od płytki Halla. Za pomocą grupy czujników można wywnioskować względne położenie magnesu.

Zazwyczaj czujniki Halla są połączone z obwodami, które umożliwiają urządzeniu pracę w trybie cyfrowym (włącz/wyłącz), i w tej konfiguracji można je nazwać przełącznikami. Poniższy rysunek przedstawia koło z dwoma magnesami przechodzącymi przez czujnik Halla.