1. Hall Effect คืออะไร?

ปรากฏการณ์ฮอลล์เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สอดคล้องกันของอนุภาคที่มีประจุ (เช่น อิเล็กตรอน) เพื่อให้เข้าใจได้ชัดเจนและเข้าใจง่ายยิ่งขึ้น โปรดดูแผนภาพแอนิเมชันของหลักการปรากฏการณ์ฮอลล์ด้านล่าง

2. หลักการของปรากฏการณ์ฮอลล์

เมื่อแผ่นตัวนำเชื่อมต่อกับวงจรที่มีแบตเตอรี่ กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหล พาหะประจุจะเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางเชิงเส้นจากปลายด้านหนึ่งของแผ่นไปยังอีกด้านหนึ่ง การเคลื่อนที่ของพาหะประจุจะก่อให้เกิดสนามแม่เหล็ก เมื่อนำแม่เหล็กมาวางไว้ใกล้กับแผ่น สนามแม่เหล็กของพาหะประจุจะบิดเบี้ยว ซึ่งจะรบกวนการไหลของพาหะประจุในแนวเส้นตรง แรงที่รบกวนทิศทางการไหลของพาหะประจุเรียกว่า แรงลอเรนซ์

เนื่องจากความบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็กของตัวพาประจุ อิเล็กตรอนที่มีประจุลบจะเบี่ยงเบนไปด้านหนึ่งของแผ่น ในขณะที่โฮลที่มีประจุบวกจะเบี่ยงเบนไปอีกด้านหนึ่ง ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เรียกว่าแรงดันฮอลล์ จะถูกสร้างขึ้นระหว่างสองด้านของแผ่น ซึ่งสามารถวัดได้ด้วยเครื่องมือ

ผลฮอลล์และแรงลอเรนซ์: ลูกศรสีน้ำเงิน B แสดงถึงสนามแม่เหล็กที่ผ่านแนวตั้งผ่านแผ่นตัวนำ

หลักการของปรากฏการณ์ฮอลล์ระบุว่า เมื่อตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่สนามแม่เหล็กตั้งฉาก จะสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าได้ในตำแหน่งที่ตั้งฉากกับเส้นทางของกระแสไฟฟ้า

แรงดันฮอลล์ ซึ่งแสดงเป็น VH ได้จากสูตรดังนี้:

· VH คือแรงดันไฟฟ้าฮอลล์บนแผ่นตัวนำ

· I คือกระแสที่ไหลผ่านเซนเซอร์

· B คือความแรงของสนามแม่เหล็ก

· q คือประจุ

· n คือจำนวนตัวพาประจุต่อหน่วยปริมาตร

· d คือความหนาของเซ็นเซอร์

3. หลักการของเซนเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์

เมื่อความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กรอบเซ็นเซอร์เกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ เซ็นเซอร์จะตรวจจับและสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่เรียกว่า แรงดันไฟฟ้าฮอลล์ (VH) หลักการเฉพาะแสดงไว้ในภาพด้านล่าง

เซนเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์โดยทั่วไปประกอบด้วยแผ่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าบางๆ ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำชนิด p เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) อินเดียมแอนติโมไนด์ (InSb) หรืออินเดียมอาร์เซไนด์ (InAs) ซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง

แผนผังของเซนเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์

เมื่อนำเซ็นเซอร์ปรากฏการณ์ฮอลล์ไปวางในสนามแม่เหล็ก เส้นฟลักซ์แม่เหล็กจะออกแรงกระทำต่อวัสดุสารกึ่งตัวนำ ทำให้ตัวพาประจุ (อิเล็กตรอนและโฮล) เบี่ยงเบนไปทางด้านใดด้านหนึ่งของแผ่นสารกึ่งตัวนำ การเคลื่อนที่ของตัวพาประจุนี้เป็นผลมาจากแรงแม่เหล็กที่มันได้รับขณะเคลื่อนที่ผ่านวัสดุสารกึ่งตัวนำ

เมื่ออิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้เคลื่อนที่ไปด้านข้าง จะเกิดความต่างศักย์ระหว่างสองด้านของวัสดุสารกึ่งตัวนำเนื่องจากการสะสมตัวพาประจุเหล่านี้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านวัสดุสารกึ่งตัวนำจะได้รับผลกระทบจากสนามแม่เหล็กภายนอกที่ตั้งฉากกับวัสดุ และผลกระทบนี้จะเด่นชัดมากขึ้นในวัสดุสี่เหลี่ยมผืนผ้าแบน

ปรากฏการณ์ฮอลล์ให้ข้อมูลเกี่ยวกับชนิดของขั้วแม่เหล็กและขนาดของสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น ขั้วใต้จะทำให้อุปกรณ์สร้างแรงดันไฟฟ้าขาออก ในขณะที่ขั้วเหนือจะไม่มีผล โดยทั่วไป เซ็นเซอร์และสวิตช์เอฟเฟกต์ฮอลล์ได้รับการออกแบบให้อยู่ในสถานะ "ปิด" (สถานะวงจรเปิด) เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็กอยู่ สวิตช์เหล่านี้จะ "เปิด" (สถานะวงจรปิด) เฉพาะเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มและขั้วแม่เหล็กเพียงพอ

4. เซนเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด เซ็นเซอร์ทำงานเป็นเซ็นเซอร์แบบแอนะล็อก โดยส่งแรงดันไฟฟ้ากลับโดยตรง ด้วยสนามแม่เหล็กที่ทราบค่าแล้ว จะสามารถหาระยะห่างจากแผ่นฮอลล์ได้ เมื่อใช้เซ็นเซอร์หลายตัวร่วมกัน ก็สามารถอนุมานตำแหน่งสัมพัทธ์ของแม่เหล็กได้

โดยทั่วไปแล้ว เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์จะทำงานร่วมกับวงจรที่อนุญาตให้อุปกรณ์ทำงานในโหมดดิจิทัล (เปิด/ปิด) ซึ่งในการกำหนดค่านี้ เซ็นเซอร์อาจเรียกว่าสวิตช์ ภาพด้านล่างแสดงล้อที่มีแม่เหล็กสองอันเคลื่อนที่ผ่านเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์