Efect de hală și senzori pe baza acestuia

Efectul Hall a fost descoperit în 1879 de savantul american Edwin Herbert Hall. Esența sa este următoarea (vezi figura). Dacă un curent este trecut printr-o placă conductivă și un câmp magnetic este direcționat perpendicular pe placă, atunci tensiunea apare pe direcția transversală cu curentul (și direcția câmpului magnetic): Uh = (RhHlsinw) / d, unde Rh este coeficientul Hall, în funcție de materialul conductorului; H este rezistența câmpului magnetic; I este curentul în conductor; w este unghiul dintre direcția curentului și vectorul de inducție a câmpului magnetic (dacă w = 90 °, sinw = 1); d este grosimea materialului.

Datorită faptului că efectul de ieșire este determinat de produsul în două cantități (H și I), senzorii Hall sunt foarte utilizați. Tabelul prezintă coeficienții Hall pentru diverse metale și aliaje. Denumiri: Т - temperatură; B este fluxul magnetic; Rh - Coeficient de hală în unități de m3 / C.

Întrerupătoarele de proximitate cu efect de sală bazate pe efectul Hall au fost utilizate pe scară largă încă de la începutul anilor '70. Avantajele acestui comutator sunt fiabilitatea și durabilitatea ridicată, dimensiuni mici, iar dezavantajele sunt consumul constant de energie și un cost relativ ridicat.

Principiul funcționării generatorului Hallși

Senzorul Hall are un design cu fanta. Un semiconductor este situat pe o parte a slotului, prin care circulă curent atunci când aprinderea este aprinsă, iar pe de altă parte, un magnet permanent.

Într-un câmp magnetic, electronii în mișcare sunt afectați de o forță. Vectorul de forță este perpendicular pe direcția componentelor magnetice și electrice ale câmpului.

Dacă o placă semiconductoare (de exemplu, din arsenidă de indiu sau antimonidă de indiu) este introdusă într-un câmp magnetic prin inducție într-un curent electric, atunci apare o diferență de potențial pe părțile laterale, perpendicular pe direcția curentului. Tensiunea halei (Hall EMF) este proporțională cu curentul și cu inducția magnetică.

Există un decalaj între placă și magnet. În golul senzorului este un ecran de oțel. Când nu există niciun ecran în gol, un câmp magnetic acționează asupra plăcii cu semiconductor și diferența de potențial este eliminată din aceasta. Dacă există un ecran în gol, atunci liniile magnetice de forță se închid prin ecran și nu acționează pe placă, în acest caz, diferența de potențial nu apare pe placă.

Circuitul integrat transformă diferența de potențial creată pe placă în impulsuri de tensiune negativă cu o anumită valoare la ieșirea senzorului. Când ecranul este în golul senzorului, va exista tensiune la ieșirea sa, dacă nu există niciun ecran în golul senzorului, atunci tensiunea la ieșirea senzorului este aproape de zero.

Efectul Hall cuantic fracțional

S-a scris mult despre efectul Hall, acest efect este utilizat pe scară largă în tehnologie, dar oamenii de știință continuă să îl studieze. În 1980, fizicianul german Klaus von Klitzung a studiat funcționarea efectului Hall la temperaturi ultrale. Într-o placă cu semiconductor subțire, von Klitzung a schimbat treptat puterea câmpului magnetic și a constatat că rezistența Sălii nu se modifică fără probleme, ci în salturi. Mărimea saltului nu depindea de proprietățile materialului, ci era o combinație de constante fizice fundamentale împărțite la un număr constant. S-a dovedit că legile mecanicii cuantice au schimbat cumva natura efectului Hall. Acest fenomen a fost denumit efectul cuantic integral Hall. Pentru această descoperire, von Klitzung a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1985.

La doi ani de la descoperirea lui von Klitzung în laboratorul Bell Telephone (cel în care tranzistorul a fost deschis), angajații Stormer și Tsui au studiat efectul Hall cuantic folosind un eșantion excepțional de curat de arsenidă mare de galiu fabricat în același laborator.Proba a avut un grad de puritate atât de ridicat încât electronii au trecut-o de la capăt la capăt, fără a întâmpina obstacole. Experimentul Stormer și Tsui a avut loc la o temperatură mult mai scăzută (aproape absolut zero) și cu câmpuri magnetice mai puternice decât în ​​experimentul von Klitzung (de un milion de ori mai mult decât Câmpul magnetic al Pământului).

Spre marea lor surpriză, Stormer și Tsui au găsit un salt în rezistența de trei ori mai mare decât cea a lui von Klitzung. Apoi au descoperit salturi și mai mari. Rezultatul a fost aceeași combinație de constante fizice, dar împărțit nu la un număr întreg, ci la un număr fracțional. Fizicienii încarcă un electron ca o constantă care nu poate fi împărțită în părți. Și la acest experiment, așa cum a fost, au participat particule cu sarcini fracționate. Efectul a fost numit efectul Hall cuantic fracțional.

La un an de la această descoperire, un angajat al laboratorului La Flin a oferit o explicație teoretică a efectului. El a afirmat că combinația de temperatură ultra-scăzută și un câmp magnetic puternic face ca electronii să formeze un fluid cuantic incompresibil. Dar cifra folosind grafică pe computer arată fluxul de electroni (bile) care străpung avionul. Asperitățile în plan reprezintă distribuția de sarcină a unuia dintre electroni în prezența unui câmp magnetic și sarcina altor electroni. Dacă se adaugă un electron la un lichid cuantic, atunci se formează o anumită cantitate de cvasiparticule cu sarcină fracțională (în figură acest lucru este prezentat ca un set de săgeți pentru fiecare electron).
În 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui și Robert Laughlin au primit premiul Nobel pentru fizică. În prezent, H. Stormer este profesor de fizică la Universitatea Columbia, D. Tsui este profesor la Universitatea Princeton, iar R. Laughlin este profesor la Universitatea Stanford.