ผลฮอลล์ที่เป็นลบและบวกของอะเดียแบติก

ในสายนำกระแสไฟฟ้าที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็ก แรงดันไฟฟ้าจะถูกเหนี่ยวนำในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์ของการปรากฏตัวของแรงดันไฟฟ้าดังกล่าวเรียกว่า Hall effect และแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำนั้นเรียกว่า Hall voltage

ในปี พ.ศ. 2422 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Edwin Hall (พ.ศ. 2398-2481) ในขณะที่ทำวิทยานิพนธ์ได้ค้นพบผลที่น่าสนใจ เขาหยิบแผ่นทองคำบาง ๆ ที่มีกระแสตรงและวางไว้ในสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกับระนาบของแผ่น ในกรณีนี้ สนามไฟฟ้าเพิ่มเติมปรากฏขึ้นระหว่างขอบของแผ่น ต่อมาได้มีการตั้งชื่อปรากฏการณ์นี้ตามผู้ค้นพบ เอฟเฟกต์ Hall พบการใช้งานที่กว้างขวาง: ใช้เพื่อวัดการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก (เซ็นเซอร์ Hall) เช่นเดียวกับการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุนำไฟฟ้า (โดยใช้เอฟเฟกต์ Hall เราสามารถคำนวณความเข้มข้นของตัวพาปัจจุบันและ เครื่องหมายของพวกเขา).

โมดูลเซ็นเซอร์ผลกระทบกระแส Hall ACS712 5A

มีพาหะของกระแสไฟฟ้าอยู่สองประเภท ได้แก่ พาหะที่เป็นบวกซึ่งเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวและพาหะที่เป็นลบซึ่งเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม

พาหะเชิงลบที่เคลื่อนที่ในทิศทางใดทิศทางหนึ่งผ่านสนามแม่เหล็กจะพบกับแรงที่มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่จากเส้นทางตรง พาหะที่เป็นบวกซึ่งเดินทางในทิศทางตรงกันข้ามผ่านสนามแม่เหล็กเดียวกันจะถูกหักเหไปในทิศทางเดียวกับพาหะที่เป็นลบ

อันเป็นผลมาจากการเบี่ยงเบนของพาหะปัจจุบันทั้งหมดภายใต้อิทธิพลของกองกำลังลอเรนซ์ไปยังด้านเดียวกันของตัวนำ จึงมีการสร้างการไล่ระดับของประชากรพาหะ และจำนวนพาหะต่อหน่วยปริมาตรจะมากกว่าด้านหนึ่งของตัวนำ ในอีกด้านหนึ่ง

ภาพด้านล่างแสดงผลลัพธ์โดยรวมของกระบวนการนี้เมื่อมีจำนวนพาหะของสองประเภทเท่ากัน

ที่นี่ การไล่ระดับสีที่เป็นไปได้ที่สร้างขึ้นโดยพาหะของสองประเภทจะหันเข้าหากัน ดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจจับอิทธิพลของมันได้เมื่อสังเกตจากภายนอก หากพาหะประเภทหนึ่งมีจำนวนมากกว่าพาหะของอีกประเภทหนึ่ง การไล่ระดับประชากรของพาหะจะสร้างศักยภาพการไล่ระดับสีแบบฮอลล์ อันเป็นผลให้สามารถตรวจจับแรงดันไฟฟ้าฮอลล์ที่ใช้กับเส้นลวดได้

ผลฮอลล์เชิงลบของอะเดียแบติก ถ้ามีเพียงอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เป็นพาหะประจุ ดังนั้นเกรเดียนต์ของอุณหภูมิและเกรเดียนต์ศักย์ไฟฟ้าจะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม

เอฟเฟกต์อะเดียแบติกฮอลล์ ถ้ามีเพียงรูเท่านั้นที่เป็นพาหะประจุ ดังนั้นเกรเดียนต์ของอุณหภูมิและเกรเดียนต์ศักย์ไฟฟ้าจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน

หากกระแสผ่านสายไฟภายใต้อิทธิพลของแรงดัน Hall เป็นไปไม่ได้ ให้อยู่ระหว่างนั้น โดยกองกำลัง Lorentz และผ่านการสร้างสมดุลของแรงดันไฟฟ้าในห้องโถง

ในกรณีนี้ กองกำลัง Lorentz มีแนวโน้มที่จะสร้างการไล่ระดับของประชากรพาหะตามแนวเส้นลวด ในขณะที่แรงดัน Hall มีแนวโน้มที่จะคืนค่าการกระจายตัวของประชากรที่สม่ำเสมอตลอดปริมาตรของเส้นลวด

ความแรง (แรงดันไฟฟ้าต่อหน่วยความหนา) ของสนามไฟฟ้าฮอลล์ที่ตั้งฉากกับทิศทางของกระแส d และสนามแม่เหล็กถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้:

Fz = KzVJ,

โดยที่ K.z — ค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์ (เครื่องหมายและค่าสัมบูรณ์อาจแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับเงื่อนไขเฉพาะ) B — การเหนี่ยวนำแม่เหล็กและ J คือความหนาแน่นของกระแสที่ไหลในตัวนำ (ค่าของกระแสต่อหน่วยของพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ)

รูปแสดงแผ่นวัสดุที่นำกระแสไฟฟ้าแรง i เมื่อต่อปลายเข้ากับแบตเตอรี่ ถ้าเราวัดความต่างศักย์ระหว่างด้านตรงข้ามกัน มันจะให้ค่าเป็นศูนย์ ดังแสดงในรูปด้านซ้าย สถานการณ์เปลี่ยนไปเมื่อใช้สนามแม่เหล็ก B ในแนวตั้งฉากกับกระแสในแผ่น เราจะเห็นว่ามีความต่างศักย์ V3 เล็กน้อยมากปรากฏขึ้นระหว่างด้านตรงข้ามดังแสดงในรูปด้านขวา

คำว่า «อะเดียแบติก» ใช้เพื่ออธิบายสภาวะที่ไม่มีการไหลของความร้อนจากภายนอกเข้าหรือออกจากระบบภายใต้การพิจารณา

มีชั้นของวัสดุฉนวนทั้งสองด้านของเส้นลวดเพื่อป้องกันการไหลของความร้อนและกระแสไฟฟ้าในทิศทางตามขวาง

เนื่องจากแรงดัน Hall ขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของพาหะที่ไม่สม่ำเสมอ จึงสามารถรักษาไว้ภายในร่างกายได้ก็ต่อเมื่อพลังงานถูกจ่ายจากแหล่งภายนอกร่างกายเท่านั้นพลังงานนี้มาจากสนามไฟฟ้าที่สร้างกระแสเริ่มต้นในสาร การไล่ระดับสีที่เป็นไปได้สองแบบถูกสร้างขึ้นในสารกัลวาโนแมกเนติก

ค่าเกรเดียนต์ศักย์เริ่มต้นถูกกำหนดให้เป็นความหนาแน่นกระแสเริ่มต้นคูณด้วยความต้านทานของสาร และค่าเกรเดียนต์ศักย์ของฮอลล์ถูกกำหนดให้เป็นความหนาแน่นกระแสเริ่มต้นคูณด้วยค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์

เนื่องจากการไล่ระดับสีทั้งสองนี้ตั้งฉากกัน เราจึงสามารถพิจารณาผลรวมของเวกเตอร์ได้ ซึ่งทิศทางจะเบี่ยงเบนไปบางมุมจากทิศทางของกระแสเดิม

มุมนี้ ค่าที่กำหนดโดยอัตราส่วนของแรงของสนามไฟฟ้าที่มุ่งไปยังทิศทางของกระแสไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในทิศทางของกระแสไฟฟ้า เรียกว่ามุมฮอลล์ อาจเป็นบวกหรือลบตามทิศทางของกระแส ขึ้นอยู่กับว่าพาหะใดเด่น—บวกหรือลบ

พรอกซิมิตี้เซนเซอร์ Hall Effect

Hall effect ขึ้นอยู่กับกลไกของอิทธิพลของตัวพาที่มีความเค็มเด่น ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพทั่วไปของสารตัวนำ สำหรับโลหะและสารกึ่งตัวนำชนิด n อิเล็กตรอนเป็นพาหะสำหรับสารกึ่งตัวนำชนิด p - รู

ประจุที่มีกระแสไฟฟ้าจะหักเหไปทางด้านเดียวกับอิเล็กตรอน ถ้าโฮลและอิเล็กตรอนมีความเข้มข้นเท่ากัน พวกมันจะสร้างแรงดัน Hall สองแรงดันที่ตรงข้ามกัน หากความเข้มข้นแตกต่างกัน แสดงว่าหนึ่งในสองแรงดัน Hall นี้มีผลเหนือกว่าและสามารถวัดได้

สำหรับพาหะที่เป็นบวก แรงดันฮอลล์ที่จำเป็นในการต่อต้านการโก่งตัวของพาหะภายใต้อิทธิพลของแรง Lorentz นั้นตรงข้ามกับแรงดันที่สอดคล้องกันสำหรับพาหะที่เป็นลบ ในโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ประเภท n แรงดันไฟฟ้านี้อาจเปลี่ยนเครื่องหมายเมื่อสนามภายนอกหรืออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

Hall sensor เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับ Hall effect และแปลงผลลัพธ์เป็นข้อมูล ข้อมูลนี้สามารถใช้ในการเปิดและปิดวงจร สามารถประมวลผลโดยคอมพิวเตอร์ และอาจทำให้เกิดผลกระทบต่างๆ จากผู้ผลิตอุปกรณ์และซอฟต์แวร์

ในทางปฏิบัติ เซ็นเซอร์ Hall เป็นวงจรขนาดเล็กราคาไม่แพงที่ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อตรวจจับตัวแปรต่างๆ เช่น การเข้าใกล้ ความเร็ว หรือการกระจัดของระบบกลไก

เซ็นเซอร์ฮอลล์เป็นแบบไม่ต้องสัมผัสซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับองค์ประกอบทางกายภาพใด ๆ เซ็นเซอร์สามารถสร้างสัญญาณดิจิตอลหรืออนาล็อกขึ้นอยู่กับการออกแบบและวัตถุประสงค์

เซ็นเซอร์ Hall effect สามารถพบได้ในโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ GPS เข็มทิศ ฮาร์ดไดรฟ์ มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน สายการประกอบโรงงาน รถยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุปกรณ์ Internet of Things มากมาย

การประยุกต์ใช้ Hall Effect: เซ็นเซอร์ฮอลล์ และ การวัดปริมาณแม่เหล็ก