Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Використання перетворювача Холла як сенсора магнітного поля



Мета роботи –вивчення конструкції перетворювачів Холла і вимірювання напруженості магнітних полів за їх допомогою.

Елементи теорії.Ефектом Холла називають явище виникнення в металі або напівпровіднику, по якому протікає струм, поперечного електричного поля під дією магнітного поля, лінії індукції якого перпендикулярні до напряму струму (рис. 1а).

Рисунок 1 – Схема експерименту з вимірювання ЕРС Холла

 

Ефект Холла пояснюється електронною теорією провідності. Розглянемо проходження струму через металеву пластину у вигляді паралелепіпеда. У відсутність магнітного поля струм в ній обумовлений лише електричним полем з напруженістю . Оскільки носії заряду – електрони мають від'ємний заряд, їх швидкість напрямленого руху протилежна вектору густини струму . Еквіпотенціальні поверхні цього поля утворюють систему перпендикулярних до вектора площин (рис. 1б). Потенціал в усіх точках еквіпотенціальної поверхні, а, отже і в точках 1 і 2, однаковий. При ввімкненні магнітного поля на кожний носій струму починає діяти сила Лоренца , що напрямлена вздовж сторони пластинки , яка дорівнює

 

, (1)

 

де е – заряд електрону, – швидкість руху носіїв заряду, В – модуль вектору індукції магнітного поля.

Внаслідок цього електрони відхиляються від прямолінійної траєкторії до верхнього краю пластини. Біля цього краю утворюється надлишок від'ємних, відповідно біля нижнього краю – надлишок позитивних, зарядів. Отже, виникає додаткове поперечне електричне поле . Якщо напруженість цього поля досягне такого значення, що його дія на заряди зрівноважить силу Лоренца, то встановиться стаціонарний розподіл зарядів в поперечному напрямі пластинки. Відповідне значення визначається умовою

 

. (2)

Звідки

. (3)

 

Поля та додаються і утворюють результуюче поле з напруженістю , яка тепер буде спрямована під деяким кутом до напрямку проходження струму (рис. 1б). Еквіпотенціальні поверхні завжди перпендикулярні до силових ліній і, отже, до вектора напруженості поля . Тому ці поверхні повернуться і займуть положення, зображене на рис. 1б пунктиром. Точки 1 та 2, що раніше лежали на одній і тій же еквіпотенціальній поверхні, тепер мають різні потенціали. Щоб знайти напругу між цими точками, яка є напругою Холла, треба помножити відстань між ними на напруженість поля .

. (4)

 

Оскільки після підстановки у співвідношення (4) отримаємо

 

(5)

де j – густина струму, n – концентрація носіїв заряду.

Введемо позначення , тоді рівняння (5) можна привести до вигляду:

 

, (6)

де константу - називають сталою Холла.

Для реальних вимірювань використовують дещо іншу форму цього виразу. Врахувавши, що густина струму дорівнює

 

, (7)

отримаємо

. (8)

 

З цього виразу видно, що вимірявши напругу Холла та знаючи струм, що протікає скрізь пластину можна знайти магнітну індукцію зовнішнього поля. Таким чином, металеві або напівпровідникові пластини можуть бути використані для детектування магнітного поля. Звичайно, як активний матеріал перетворювача (датчика) використовують напівпровідники.

Конструктивно датчик Холла являє собою прямокутну напівпровідникову пластину, до бокових граней якої приєднані дві пари електродів, одна з них призначена для підведення електричного струму, інша - для вимірювання різниці потенціалів Холла. Вся конструкція розміщується у магнітному полі яке потрібно виміряти.

Рисунок 2 – Конструкція перетворювача Холла на ізолюючій підкладці

 

Відношення у співвідношенні (8) називають питомою чутливістю ненавантаженого ідеального перетворювача Холла. Під ідеальним розуміють прямокутний перетворювач Холла, який має нескінченно велику довжину в повздовжньому напрямку і точкові холлівські електроди. Реальний перетворювач Холла, який має довільні геометричні розміри, також характеризується питомою чутливістю:

 

. (9)

 

Коефіцієнт залежить від співвідношення геометричних розмірів і значення магнітної індукції. Отже, напругу Холла реального перетворювача Холла можна знайти з рівняння:

 

. (10)

 

Відстань між керуючими і холівськими електродами у перетворювачах Холла звичайно становить кілька міліметрів.

.

 

а б

Рисунок 3– Перетворювач Холла без впливу паразитної термо-ЕРС:

а – для сенсорів магнітного поля;

б – для модуляторів;

1, 2 – електроди для керуючого струму;

3, 4 – електроди для зняття напруги Холла

При нерівномірному нагріванні напівпровідника між кожною парою електродів може виникнути термо-ЕРС, що зумовлює похибки при вимірюваннях магнітного поля. Щоб зменшити відстань між електродами, використовують форму пластин, показану на рис. 3

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.