Эффект Холла

Эффект Холла – это явление возникновения разности потенциалов на краях металлической пластины под действием магнитного поля при пропускании через неё электрического тока. Сегодня это используется в клавиатурах, стиральных машинах, автомобилях. Интересующимся будет также интересна статья про датчики Холла.

История открытия эффекта

Об открытии Эдвином Холлом столь специфичного эффекта известно достаточно мало. По какой-то причине столь значительное событие практически не обсуждается в литературе. В частности, раздел про датчики Холла упоминает, что Эдвин сделал ключевые наблюдения в период соискания степени доктора наук Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Событие произошло в 1879 году. И это практически все, что может быть найдено в литературе касательно вопроса истоков великого открытия.

Эдвин Холл

Эдвин Холл

Однако имеется ещё один источник, не столь широко обсуждаемый. Это заметка, датированная 19 ноября, в осеннем Американском журнале математики 1879 года (т. 2, № 3). Вот что говорит сам Эдвин на страницах 287-292 издания: (См. также: Датчик Холла)

«За последний год я много занимался изучением Максвелловского Электричества и магнетизма, а также лекций профессора Роуланда. И вот какие строки привлекли моё внимание! «Нужно со всей скрупулёзностью отметить тот факт, что сила действующая на проводника с током, расположенный поперёк линий магнитного поля, приложена непосредственно к самому материалу. И если приложить напряжение к диску или жидкости, то материал станет двигаться послушно оказанному влиянию в полной мере, причём характер перемещения может быть как согласован с формой электрического тока, так и находиться с ней в диссонансе. Постоянная магнитная сила действует на поток заряженных частиц. Но если бы ток мог выбирать себе путь сквозь толщу материала, то через какое-то время вернулся бы на прежнюю траекторию. Таким образом, единственной реальной движущей силой может стать ЭДС источника.»

Молодому учёному пришло на ум, что эти строки прямо вступают в противоречие с некоторыми уже известными явлениями. По той простой причине, что сила, действующая на провод с током, зависит от скорости течения зарядов. В противовес этому форма и конфигурация материала имеют весьма малое значение. В свою очередь взаимодействия между зарядами объясняются их величиной и знаком, что известно ещё со времён Шарля Кулона.

После трудов Максвелла на глаза Эдвину Холлу попадается заметка профессора Эдлунда под названием «Униполярная индукция» (Annales de Chemie et de Physique, январь 1879). По тексту доказывался тот факт, что магнит действует на зафиксированный проводник с током тем же усилием, как и на свободно подвешенный. Холл переадресовал этот вопрос профессору Роуланду и получил в ответ сообщение о занятости учёного мужа на данный момент. Так что Эдвин получил в своё распоряжение достойную размышлений загадку. Совместно с профессором Холл разработал методику эксперимента, которая состояла в следующем:

Если ток не сохранит постоянного пути своего движения по проводу под действием магнитного поля, то плотность зарядов к одному боку станет выше. Что закономерно увеличит сопротивление проводника. Следовательно, останется только воспользоваться законом Ома для проверки гипотезы.

Для реализации опыта была выбрана плоская спираль из проволоки (диаметром порядка половины миллиметра) нейзильбера (напоминающая по форме катушку Тесла) общим сопротивлением около 2 Ом, зажатая между двумя прокладками из плотной резины. Этот лист решили поместить между двумя полюсами магнита обширной площади. Так, чтобы линии напряжённости поля в каждой точке были перпендикулярны направлению протекания тока. Электромагнит питался от 20 элементов Бунзена, соединённых по 4 последовательные цепочки в 5 ветвей. Результирующая напряжённость превышала в десятки тысяч раз горизонтальную составляющую магнитного поля Земли.

В качестве датчика использовался измерительный мост Витстона, по диагонали которого включили гальванометр конструкции лорда Кельвина. Такое техническое решение по предварительным данным могло зафиксировать изменение сопротивление спирали в миллионную долю от общего значения. С 7 до 11 октября Эдвин Холл проделал 13 экспериментов, каждый состоял из 40 измерений: (См. также: Каминный эффект в обогревателе)

  1. Измерение сопротивления с включённым магнитом.
  2. То же, но с выключенным магнитом.
  3. П. 1 со сменой полярности линий напряжённости магнитного поля.
  4. Повторяет п. 2.

Измерения показали, что магнитное поле может как снижать, так и увеличивать сопротивление. Максимальный прирост составил пятнадцать сотых, тогда как среднее значение по итогам опытов было намного меньше (пять миллионных долей). Стало ясно, что осуществлённых действий недостаточно для того, чтобы сделать определённые утверждения. Тем не менее, очевидно, что ток вряд ли является несжимаемой субстанцией, как многие считали до этого. Проще говоря, нужно было понять, почему результаты первых опытов столь различны по значению и направлению изменения сопротивления.

Возникновение разности потенциалов

Возникновение разности потенциалов

Первый датчик Холла

Первый датчик Холла сконструирован профессором Роуландом. В той же самой форме, в которой это устройство применяется и по сей день. Видя, что опыты Эдвина (и его собственные) ни к чему не приводят, лектор предложил старую модель эксперимента, проделанного годами ранее (по сути описана конструкция датчика Холла):

  1. В электрическую цепь включается проводящий диск (либо пластина другой формы).
  2. При помощи гальванометра находятся две эквипотенциальные точки по бокам фигуры.
  3. Затем включается электромагнит, линии напряжённости поля которого лежат в перпендикулярной диску плоскости.
  4. Фиксируются изменения показаний гальванометра.

Таким образом предполагалось засечь признаки каких-либо изменений при изменении условий протекания тока. И хотя в эксперименте использовался датчик Холла в его нынешнем исполнении, опыт не удался. Принято считать, что это было вызвано слишком большой толщиной диска. Профессор довёл все это до сведения Эдвина и высказал мнение, что ситуацию можно поправить, если использовать тонкий золотой лист, смонтированный на стеклянном основании (для исключения деформации металла полем). Поставленный 28 октября опыт полностью удачный, удалось зафиксировать стабильное отклонение иглы гальванометра при действии магнитного поля на пластинку с током.

И хотя движение было перманентным, быстро пропадало, нельзя никак было отнести это на магнитную индукцию (из опытов Фарадея). Быстро исключили и погрешность, вносимую поле электрических соленоидов. На горизонте явно маячило какое-то открытие. Замечательно, что при изменении полярности магнита эффект инвертировался. Для установления количественных зависимостей аппарат слегка усовершенствовали:

  • Прочный контакт источника питания обеспечивался с каждой стороны пластинами латуни, хорошо отполированными и тщательно припаянными к золоту (9х2 см).
  • В центре остался чистый металл: область длиной 5,5 см и по всей ширине. Здесь через золото проходили линии магнитного поля.
  • Контакты высокоомного гальванометра Томсона подходили по краям, равноудалённо от латунных пластин.
Результаты измерений Холла

Результаты измерений Холла

В ходе эксперимента измерялись магнитное поле соленоидов, токи через пластину и гальванометр. Результат можно оформить в виде таблицы, представленной на рисунке, из которой можно видеть, что Эдвину Холлу удалось получить первые закономерности. Это случилось 12 ноября 1879 года. Несмотря на то, что выражение справа имеет значения, отличающиеся примерно на 8%, очевидно, что порядок цифр одинаковый. А отклонения можно списать на погрешности экспериментаторов и оборудования.

К слову сказать, точные значения важны далеко не всегда. Сегодня датчики Холла активно применяются в качестве индикаторов отсутствия или наличия магнитного поля. Как например, в клавиатурах или двигателях стиральных машин.

Применение эффекта Холла на практике

Уже было сказано (см. датчики Холла), что первые промышленные приложения эффекта Холла нашли себе путь в жизнь во второй половине XX века. Сегодня чуть более половины доли сегмента приходится на автомобильную промышленность. Ещё точнее – все передовые технологии в остальные области приходят как раз оттуда. Как например, модули ASIC и ASSP. Ведущая роль на десятые года XXI века принадлежит компании Asahi Kasei Microsystems (АКМ), поставляющей компасы для мобильных устройств на основе эффекта Холла. Среди промышленных гигантов можно отметить Micronas, Infineon, Allegro, Melexis. Среди датчиков магнитного поля основанные на эффекте Холла занимают почётную долю в 87%.

Часто датчик включается в состав микросхемы. Историческим предком является серия КМОП. На её основе выпущены интегрированные в кристалл датчики для измерения угла положения дроссельной заслонки, руля, скорости вращения распределительного и коленчатого вала. Широко значение технологии в работе вентильных двигателей, где по угловому положению ротора нужно коммутировать тем или иным образом обмотки. Измерением величины поля занимаются новейшие 3D-датчики, определяющие не только угловое, но и линейное положение системы магнитов. До тех пор фиксировался просто факт наличия или отсутствия объекта в поле зрения. Это нужно для успешной конкуренции с магниторезистивной технологией.

Сегодня последним писком моды являются программируемые конструкции, куда посредством кода могут быть занесены самые разные функции. Датчики могут использоваться различными способами. Например, по взаимному положению чувствительной площадки и магнита различают режимы:

  1. Лобовой. В этом случае магнит находится прямо напротив датчика, удаляясь от него или приближаясь по прямой линии. Поле зависит квадратично от дистанции и закон выходного сигнала от дальности напоминает гиперболу. Такой режим называется униполярным, поскольку напряжённость не может поменять направление.
  2. Скольжение. В этом случае между чувствительной площадкой и магнитом имеется некий зазор. Эта координата остаётся неизменной. А магнит может скользить параллельно датчику по одной оси. Поле в этом случае не меняется, а зависимость выходного сигнала от координаты близка к гауссовому распределению. Направление напряжённости не меняется, посему режим также называют униполярным.
  3. Биполярное скольжение. Иногда требуется узнать, в какую именно сторону отклонился магнит. А не только определить дистанцию. В этом случае магнит используется подковообразный. Соответственно, полюсы вызывают отклики разной полярности. Что и дало название режиму.

Данные режимы иногда используются в комбинации. Например, в том случае, когда требуется точно позиционировать магнит относительно датчики (при помощи исполнительных устройств), чувствительность оборудования повышается более крутой характеристикой зависимости выходного сигнала от координат. Для этого могут применяться магниты из трёх полос с чередованием полюсов. Крайний спуски графика получаются пологими, а центральный пик довольно резко выражен. Чем и достигается точное позиционирование системы.

Для усиления линий напряжённости, придания им более чётко выраженного направления применяются полюсные наконечники. Это куски металла из мягких ферромагнитных сплавов. По мере приближения к ним магнита линии начинают стремиться к этому участку, образуя зазор, где остаются фактически прямыми. Если туда поместить датчик Холла, то чувствительность системы можно существенно повысить. С той же целью иногда применяются магниты смещения, которые остаются на одном месте и сами по себе не могут вызвать срабатывание. Но по мере приближения движущейся части плотность магнитного поля резко нарастает. Это упрощает срабатывание и уменьшает требования к чувствительности датчика.

Можно к этому добавить, что по структуре выходного сигнала сенсоры бывают аналоговыми и цифровыми. В последнем случае система легко сопрягается с автоматикой, а измеренный сигнал уже не теряет точности, будучи переданным на обработку.