1. Що таке ефект Холла?

Ефект Холла викликається взаємодією між відповідними електричними та магнітними полями заряджених частинок (таких як електрони). Для більш наочного та інтуїтивного розуміння ви можете звернутися до анімаційної схеми принципу ефекту Холла нижче.

2. Принцип ефекту Холла

Коли провідна пластина підключена до кола з батареєю, починає протікати струм. Носії заряду рухатимуться лінійною траєкторією від одного кінця пластини до іншого. Рух носіїв заряду генерує магнітне поле. Коли магніт розміщено близько до пластини, магнітне поле носіїв заряду спотворюється, що порушує прямолінійний потік носіїв заряду. Сила, яка порушує напрямок потоку носіїв заряду, називається силою Лоренца.

Через спотворення магнітного поля носіїв заряду негативно заряджені електрони відхилятимуться до одного боку пластини, тоді як позитивно заряджені дірки відхилятимуться до іншого. Між двома сторонами пластини виникне різниця потенціалів, відома як напруга Холла, яку можна виміряти за допомогою приладу.

Ефект Холла та сила Лоренца: синя стрілка B позначає магнітне поле, що проходить вертикально через провідну пластину

Принцип ефекту Холла стверджує, що коли провідник або напівпровідник зі струмом вводиться в перпендикулярне магнітне поле, напругу можна виміряти в положенні, перпендикулярному до шляху струму.

Напруга Холла, що позначається як VH, визначається формулою:

· VH – напруга Холла на провідній пластині

· I – струм, що протікає через датчик

· B – напруженість магнітного поля

· q – заряд

· n – кількість носіїв заряду на одиницю об’єму

· d – товщина датчика

3. Принцип дії датчиків на ефекті Холла

Коли щільність магнітного потоку навколо датчика перевищує певний попередньо встановлений поріг, датчик виявляє це та генерує вихідну напругу, яка називається напругою Холла (VH). Конкретний принцип показано на рисунку нижче.

Датчик Холла, по суті, складається з тонкого прямокутного шматка напівпровідникового матеріалу p-типу, такого як арсенід галію (GaAs), антимонід індію (InSb) або арсенід індію (InAs), через який проходить безперервний струм.

Принципова схема датчика Холла

Коли датчик Холла поміщається в магнітне поле, лінії магнітного потоку діють на напівпровідниковий матеріал, змушуючи носії заряду (електрони та дірки) відхилятися в обидва боки напівпровідникової пластини. Цей рух носіїв заряду є результатом магнітної сили, яку вони відчувають, проходячи через напівпровідниковий матеріал.

Коли ці електрони та дірки рухаються вбік, між двома сторонами напівпровідникового матеріалу виникає різниця потенціалів через накопичення цих носіїв заряду. На рух електронів через напівпровідниковий матеріал впливає зовнішнє магнітне поле, перпендикулярне до нього, і цей ефект більш виражений у плоских прямокутних матеріалах.

Ефект Холла надає інформацію про тип магнітного полюса та величину магнітного поля. Наприклад, південний полюс призведе до генерації пристроєм вихідної напруги, тоді як північний полюс не матиме жодного ефекту. Як правило, датчики та перемикачі на ефекті Холла розроблені таким чином, щоб перебувати у вимкненому стані (стан розімкнутого кола), коли магнітне поле відсутнє. Вони «вмикаються» (стан замкнутого кола) лише під час впливу магнітного поля достатньої сили та полярності.

4. Датчики Холла

У своїй найпростішій формі датчик працює як аналоговий датчик, безпосередньо повертаючи напругу. За допомогою відомого магнітного поля можна визначити відстань від пластини Холла. Використовуючи групу датчиків, можна визначити відносне положення магніту.

Зазвичай датчики Холла поєднуються зі схемами, які дозволяють пристрою працювати в цифровому (увімкнено/вимкнено) режимі, і в такій конфігурації їх можна називати перемикачами. На малюнку нижче показано колесо з двома магнітами, що проходить повз датчик Холла.