Эффект холла и устройства на его основе
Существует отдельный класс измерительных приборов, основанных на эффекте, открытом американским учёным Эдвином Холлом в 1879 году. Суть этого явления заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (электрического поля) в проводнике с постоянным током, помещённым в магнитное поле, перпендикулярном направлению тока.
Разность потенциалов вызвана различным действием силы Лоренца на носители зарядов противоположных знаков — они накапливаются возле противоположных сторон образца, пока электрическое поле не скомпенсирует действие силы Лоренца. Эффект Холла проявляется в различных материалах: в металлах он обусловлен отклонением электронов, в полупроводниках — отклонением электронов и дырок, в плазме — отклонением электронов и ионов.
Поскольку сигнал, вырабатываемый за счёт эффекта Холла, относительно слаб, он требует дополнительного усиления. С развитием интегральной усилительной схемотехники появилась возможность технической реализации датчиков Холла, интегрированных с аналоговыми усилителями постоянного тока.
Также они могут интегрироваться в едином корпусе с аналого-цифровыми преобразователями и логическими схемами, образуя интерфейс для подключения к портам микроконтроллеров и компьютеров. Такие датчики находят применение в различных областях науки и техники.
По принципу действия датчики Холла относятся к датчикам бесконтактного типа, они нечувствительны к разного рода загрязнениям и воздействию воды, компактны и потребляют мало электроэнергии. Неудивительно, что по этим причинам линейные и логические датчики Холла широко применяются в современных технологиях.
Например, вы, скорее всего, не подозреваете, что Ваш автомобиль буквально напичкан датчиками Холла: они работают в системе зажигания автомобиля, в системе автоблокировки колёс и торможения, в блокировке дверей и датчиках расхода топлива, контроля зарядки аккумулятора (датчик тока на основе эффекте Холла) и тахометрах.
И принтер, выдающий вам на заправке чек, использует датчики Холла в бесколлекторных двигателях постоянного тока и в датчиках бумаги. Когда вы заходите в свой офис, открывая дверь магнитной карточкой, вы также пользуетесь считывателями магнитных карточек на основе датчиков Холла.
Этот перечень можно продолжать достаточно долго, достаточно упомянуть применение датчиков Холла для определения положения крышки чехла в современных смартфонах. Следует отметить, что в качестве электронного компаса в смартфонах обычно используются магниторезистивные датчики так как их чувствительность к изменению магнитного поля намного выше, чем чувствительность датчиков Холла.
В общем случае
Основные уравнения (классической) электродинамики общего случая (то есть независимо от ограничений магнитостатики), в которых участвует вектор магнитной индукции B → >> :
- Три из четырех уравнений Максвелла (основных уравнений электродинамики)
d i v E → = ρ ε 0 , r o t E → = − ∂ B → ∂ t ,>=>>, mathrm ,>=->>>>d i v B → = 0 , r o t B → = μ 0 j → 1 c 2 ∂ E → ∂ t ,>=0, ,mathrm ,>=mu _> >>>>>>а именно:
- Закон отсутствия монополя:
d i v B → = 0 , ,>=0,>
- Закон электромагнитной индукции Фарадея:
r o t E → = − ∂ B → ∂ t , ,>=->>>,>
- Закон Ампера — Максвелла:
r o t B → = μ 0 j → 1 c 2 ∂ E → ∂ t . ,>=mu _> >>>>>.>
F → = q E → q [ v → × B → ] , >=q> qleft[>times >right],>Следствия из неё, такие как
- Выражение для силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля на ток (участок провода с током)
d F → = [ I d l → × B → ] , >=left[I>times >right],>d F → = [ j → d V × B → ] , >=left[>dVtimes >right],>
- выражение для момента силы, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь (виток с током, катушку или постоянный магнит):
M → = m → × B → , >=>times >,>
- выражение для потенциальной энергии магнитного диполя в магнитном поле:
U = − m → ⋅ B → , >cdot >,>
- а также следующих из них выражения для силы, действующей на магнитный диполь в неоднородном магнитном поле и т. д..
- Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на точечный магнитный заряд:
F → = K q m r → r 3 . >=K>>>>.>
- (это выражение, точно соответствующее обычному закону Кулона, широко используется для формальных вычислений, для которых ценна его простота, несмотря на то, что реальных магнитных зарядов в природе не обнаружено; также может прямо применяться к вычислению силы, действующей со стороны магнитного поля на полюс длинного тонкого магнита или соленоида).
- Выражение для плотности энергии магнитного поля
w = B 2 2 μ 0 >>>>
- Оно в свою очередь входит (вместе с энергией электрического поля) и в выражение для энергии электромагнитного поля и в лагранжиан электромагнитного поля и в его действие. Последнее же с современной точки зрения является фундаментальной основой электродинамики (как классической, так в принципе и квантовой).
Отрывок, характеризующий тесла (единица измерения)
Чрез несколько дней после отъезда Анатоля, Пьер получил записку от князя Андрея, извещавшего его о своем приезде и просившего Пьера заехать к нему. Князь Андрей, приехав в Москву, в первую же минуту своего приезда получил от отца записку Наташи к княжне Марье, в которой она отказывала жениху (записку эту похитила у княжны Марьи и передала князю m lle Вourienne) и услышал от отца с прибавлениями рассказы о похищении Наташи.
Князь Андрей приехал вечером накануне. Пьер приехал к нему на другое утро. Пьер ожидал найти князя Андрея почти в том же положении, в котором была и Наташа, и потому он был удивлен, когда, войдя в гостиную, услыхал из кабинета громкий голос князя Андрея, оживленно говорившего что то о какой то петербургской интриге.
Старый князь и другой чей то голос изредка перебивали его. Княжна Марья вышла навстречу к Пьеру. Она вздохнула, указывая глазами на дверь, где был князь Андрей, видимо желая выразить свое сочувствие к его горю; но Пьер видел по лицу княжны Марьи, что она была рада и тому, что случилось, и тому, как ее брат принял известие об измене невесты.
– Он сказал, что ожидал этого, – сказала она. – Я знаю, что гордость его не позволит ему выразить своего чувства, но всё таки лучше, гораздо лучше он перенес это, чем я ожидала. Видно, так должно было быть… – Но неужели совершенно всё кончено? – сказал Пьер.
Княжна Марья с удивлением посмотрела на него. Она не понимала даже, как можно было об этом спрашивать. Пьер вошел в кабинет. Князь Андрей, весьма изменившийся, очевидно поздоровевший, но с новой, поперечной морщиной между бровей, в штатском платье, стоял против отца и князя Мещерского и горячо спорил, делая энергические жесты.
Речь шла о Сперанском, известие о внезапной ссылке и мнимой измене которого только что дошло до Москвы. – Теперь судят и обвиняют его (Сперанского) все те, которые месяц тому назад восхищались им, – говорил князь Андрей, – и те, которые не в состоянии были понимать его целей.
Судить человека в немилости очень легко и взваливать на него все ошибки другого; а я скажу, что ежели что нибудь сделано хорошего в нынешнее царствованье, то всё хорошее сделано им – им одним. – Он остановился, увидав Пьера. Лицо его дрогнуло и тотчас же приняло злое выражение.
– И потомство отдаст ему справедливость, – договорил он, и тотчас же обратился к Пьеру. – Ну ты как? Все толстеешь, – говорил он оживленно, но вновь появившаяся морщина еще глубже вырезалась на его лбу. – Да, я здоров, – отвечал он на вопрос Пьера и усмехнулся.
Пьеру ясно было, что усмешка его говорила: «здоров, но здоровье мое никому не нужно». Сказав несколько слов с Пьером об ужасной дороге от границ Польши, о том, как он встретил в Швейцарии людей, знавших Пьера, и о господине Десале, которого он воспитателем для сына привез из за границы, князь Андрей опять с горячностью вмешался в разговор о Сперанском, продолжавшийся между двумя стариками.
– Ежели бы была измена и были бы доказательства его тайных сношений с Наполеоном, то их всенародно объявили бы – с горячностью и поспешностью говорил он. – Я лично не люблю и не любил Сперанского, но я люблю справедливость. – Пьер узнавал теперь в своем друге слишком знакомую ему потребность волноваться и спорить о деле для себя чуждом только для того, чтобы заглушить слишком тяжелые задушевные мысли.
Когда князь Мещерский уехал, князь Андрей взял под руку Пьера и пригласил его в комнату, которая была отведена для него. В комнате была разбита кровать, лежали раскрытые чемоданы и сундуки. Князь Андрей подошел к одному из них и достал шкатулку. Из шкатулки он достал связку в бумаге. Он всё делал молча и очень быстро. Он приподнялся, прокашлялся. Лицо его было нахмурено и губы поджаты.
Постоянные магниты, электромагниты.
Источником магнитного поля (МП) могут служить постоянные магниты. Они изготавливаются из магнетита. В природе он известен как оксид железа. Это минерал чёрной окраски, имеющий молекулярное строение FeO·Fe2O3. Свойства магнитов известны с давних времён. Магниты имеют два полюса – северный и южный.
Постоянные магниты можно классифицировать по следующим критериям:
- материал, из которого изготовлен магнит;
- форма;
- сфера использования.
Магниты с постоянными полюсами изготавливаются из различных материалов:
- ферритов – прессованных изделий из порошков оксида железа и оксидов иных металлов;
- редкоземельных – нодимовых (NdFeB), самариевых (SmCo), литых (сплавы металлов), полимерных (магнитопласты).
Форма магнитов самая различная:
- цилиндрическая (прямоугольная);
- подковообразная;
- кольцеобразная;
- дискообразная.
Важно! В зависимости от формы изменяется месторасположение полюсов, соответственно, и направление магнитных линий у поля.
Направление линий МП в зависимости от формы магнита
Постоянные магниты нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства:
- МРТ – медицинский прибор для диагностики человеческого организма;
- приводы жёстких дисков в современных компьютерах;
- в радиотехнике, при изготовлении динамиков;
- производство декоративных украшений с применением магнитов на полимерной основе.
В двигателях постоянного тока такие магниты вмонтированы в корпус индуктора.
Электромагниты.
Следующей разновидностью устройства, предназначенного для создания МП, является электромагнит. При протекании через его обмотку электрического тока сердечник становится магнитом. Следственно, электромагнит состоит из следующих частей:
- сердечник (магнитопровод);
- обмотка.
Это своеобразная катушка индуктивности, называемая соленоидом.
Сердечник может быть выполнен из ферримагнитного материала или листового набора электротехнической стали.
Обмотка намотана проводом из алюминия или меди, покрытого изоляцией.
Электромагниты (ЭМ) можно классифицировать по следующим параметрам:
- магниты постоянного тока – нейтральные;
- магниты постоянного тока – поляризованные;
- устройства переменного тока.
Нейтральные ЭМ – создание магнитного потока происходит так, что величина притяжения увеличивается с повышением силы тока и не подчиняется направлению движения электронов.
Поляризованные ЭМ в своём составе содержат:
- рабочую обмотку – для создания рабочего Φ;
- постоянный магнит – для наведения поляризующего Φ.
Обмотки ЭМ переменного тока питаются синусоидальным током, поэтому их Φ меняется по периодическому закону.
Явление электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Опыты Фарадея
- На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
- Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
- Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.
При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.
При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.
Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.
При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.
ЭДС самоиндукции ( varepsilon_{is} ), возникающая в катушке с индуктивностью ( L ), по закону электромагнитной индукции равна:
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке
Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ( Phi ) через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ( vec{B} ) магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.
Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:
Индуктивность – коэффициент пропорциональности ( L ) между силой тока ( I ) в контуре и магнитным потоком ( Phi ), создаваемым этим током:
Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:
Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.
Магнитным потоком через площадь ( S ) контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ( B ), площади поверхности ( S ), пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ( alpha ) между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Обозначение – ( Phi ), единица измерения в СИ – вебер (Вб).
Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла ( alpha ) магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
