Efeito Hall e sensores baseados nele

O efeito Hall foi descoberto em 1879 pelo cientista americano Edwin Herbert Hall. Sua essência é a seguinte (veja a figura). Se uma corrente é passada através de uma placa condutora e um campo magnético é direcionado perpendicularmente à placa, a tensão aparece na direção transversal à corrente (e a direção do campo magnético): Uh = (RhHlsinw) / d, onde Rh é o coeficiente de Hall, que depende do material do condutor; H é a força do campo magnético; Eu é a corrente no condutor; w é o ângulo entre a direção da corrente e o vetor de indução do campo magnético (se w = 90 °, sinw = 1); d é a espessura do material.

Devido ao fato de que o efeito de saída é determinado pelo produto de duas quantidades (H e I), os sensores Hall são amplamente utilizados. A tabela mostra os coeficientes de Hall para vários metais e ligas. Designações: Т - temperatura; B é o fluxo magnético; Rh - Coeficiente de Hall em unidades de m3 / C.

Os sensores de proximidade com efeito Hall baseados no efeito Hall têm sido amplamente utilizados no exterior desde o início dos anos 70. As vantagens deste comutador são alta confiabilidade e durabilidade, pequenas dimensões e as desvantagens são o consumo constante de energia e um custo relativamente alto.

O princípio de operação do gerador Hallmas

O sensor Hall possui um design com fenda. Um semicondutor está localizado em um lado do slot, através do qual a corrente flui quando a ignição é ligada e, por outro lado, um ímã permanente.

Em um campo magnético, os elétrons em movimento são afetados por uma força. O vetor de força é perpendicular à direção dos componentes magnéticos e elétricos do campo.

Se uma bolacha semicondutora (por exemplo, de arseneto de índio ou antimoneto de índio) é introduzida em um campo magnético por indução em uma corrente elétrica, surge uma diferença de potencial nos lados, perpendicular à direção da corrente. A tensão do Hall (Hall EMF) é proporcional à corrente e à indução magnética.

Há um espaço entre a placa e o ímã. No espaço do sensor há uma tela de aço. Quando não há tela na lacuna, um campo magnético atua na placa semicondutora e a diferença de potencial é removida dela. Se houver uma tela na lacuna, as linhas de força magnéticas fecham-se através da tela e não atuam na placa; nesse caso, a diferença de potencial não ocorre na placa.

O circuito integrado converte a diferença de potencial criada na placa em pulsos de tensão negativos de um determinado valor na saída do sensor. Quando a tela estiver no espaço do sensor, haverá tensão na saída; se não houver tela no espaço do sensor, a tensão na saída do sensor será próxima de zero.

Efeito Hall quântico fracionário

Muito foi escrito sobre o efeito Hall, esse efeito é intensamente usado na tecnologia, mas os cientistas continuam a estudá-lo. Em 1980, o físico alemão Klaus von Klitzung estudou a operação do efeito Hall em temperaturas muito baixas. Em uma placa fina de um semicondutor, von Klitzung mudou gradualmente a força do campo magnético e descobriu que a resistência de Hall não muda suavemente, mas em saltos. A magnitude do salto não dependia das propriedades do material, mas era uma combinação de constantes físicas fundamentais divididas por um número constante. Aconteceu que as leis da mecânica quântica de alguma forma mudaram a natureza do efeito Hall. Esse fenômeno foi chamado de efeito Hall quântico integral. Por essa descoberta, von Klitzung recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1985.

Dois anos após a descoberta de von Klitzung no laboratório Bell Telephone (aquele em que o transistor foi aberto), os funcionários da Stormer e Tsui estudaram o efeito Hall quântico usando uma amostra excepcionalmente limpa de arseneto de gálio grande feito no mesmo laboratório.A amostra apresentava um grau de pureza tão alto que os elétrons passavam de ponta a ponta sem encontrar obstáculos. O experimento Stormer e Tsui ocorreu a uma temperatura muito mais baixa (zero quase absoluto) e com campos magnéticos mais poderosos do que no experimento de von Klitzung (um milhão de vezes mais do que Campo magnético da terra).

Para sua grande surpresa, Stormer e Tsui encontraram um salto na resistência de Hall três vezes maior que o de von Klitzung. Então eles descobriram saltos ainda maiores. O resultado foi a mesma combinação de constantes físicas, mas dividida não por um número inteiro, mas por um número fracionário. Os físicos carregam um elétron como uma constante que não pode ser dividida em partes. E neste experimento, por assim dizer, partículas com cargas fracionárias participaram. O efeito foi chamado efeito Hall quântico fracionário.

Um ano após essa descoberta, um funcionário do laboratório La Flin deu uma explicação teórica do efeito. Ele afirmou que a combinação de temperatura ultra baixa e um poderoso campo magnético faz com que os elétrons formem um fluido quântico incompressível. Mas a figura usando gráficos de computador mostra o fluxo de elétrons (bolas) perfurando o avião. As rugosidade no plano representam a distribuição de carga de um dos elétrons na presença de um campo magnético e a carga de outros elétrons. Se um elétron é adicionado a um líquido quântico, é formada uma certa quantidade de quasipartículas com uma carga fracionária (na figura, isso é mostrado como um conjunto de setas para cada elétron).
Em 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui e Robert Laughlin receberam o Prêmio Nobel de Física. Atualmente, H. Stormer é professor de física na Universidade de Columbia, D. Tsui é professor na Universidade de Princeton e R. Laughlin é professor na Universidade de Stanford.