绝热负和正霍尔效应
在置于磁场中的载流导线中,在垂直于电流和磁场方向的方向上感应出电压。这种电压出现的现象称为霍尔效应,感应电压本身称为霍尔电压。
1879 年,美国物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall,1855-1938)在撰写论文时发现了一个有趣的效应。他拿了一块通有直流电的薄金板,将其置于垂直于板平面的磁场中。在这种情况下,板的边缘之间出现了额外的电场。后来,这种现象以发现者的名字命名。霍尔效应应用广泛:它用于测量磁场的感应(霍尔传感器),以及研究导电材料的物理特性(利用霍尔效应,可以计算电流载流子的浓度和他们的标志)。
霍尔电流效应传感器模块 ACS712 5A
电流载流子有两种类型——正向一个方向移动的载流子和向相反方向移动的负向载流子。
在磁场中沿特定方向移动的负载流子会受到一种力,这种力会使它们的运动偏离直线路径。通过同一磁场以相反方向行进的正载流子在与负载流子相同的方向上偏转。
由于在洛伦兹力的影响下所有载流子都偏离到导体的同一侧,因此建立了载流子数量梯度,并且在导体的一侧,每单位体积的载流子数量将大于在另一。
下图说明了当两种类型的载体数量相等时,此过程的总体结果。
此处,两种载流子产生的电势梯度相互对立,因此从外部观察时无法检测到它们的影响。如果一种类型的载流子比另一种类型的载流子多,则载流子数量梯度产生霍尔梯度电势,由此可以检测施加到导线上的霍尔电压。
绝热负霍尔效应。如果只有电子是电荷载流子,则温度梯度和电势梯度指向相反的方向。
绝热霍尔效应。如果只有空穴是载流子,则温度梯度和电势梯度指向同一方向
如果在霍尔电压的影响下电流不可能通过导线,那么在 由洛伦兹力 并通过霍尔电压平衡建立。
在这种情况下,洛伦兹力倾向于沿着导线产生载流子数量梯度,而霍尔电压则倾向于在整个导线体积内恢复均匀的数量分布。
垂直于 d 电流和磁场方向的霍尔电场的强度(每单位厚度的电压)由以下公式确定:
Fz = KzVJ,
式中 K.z——霍尔系数(其符号和绝对值根据具体情况可有较大差异); B——磁感应强度,J是导体中流动的电流密度(导体每单位横截面积的电流值)。
该图显示了一片材料,当其两端连接到电池时,它会传导强电流 i。如果我们测量相对侧之间的电位差,它将为我们提供零,如左图所示。当垂直于薄片中的电流施加磁场B时情况发生变化,我们会看到在相对的两侧之间出现非常小的电位差V3,如右图所示。
术语“绝热”用于描述没有热量从外部流入或流出所考虑系统的条件。
导线两侧有绝缘材料层,以防止热量和电流沿横向流动。
由于霍尔电压取决于载流子的不均匀分布,因此只有从身体外部的某些来源提供能量时,它才能在体内维持。这种能量来自在物质中产生初始电流的电场。在电磁物质中建立了两个电位梯度。
初始电位梯度定义为初始电流密度乘以物质的电阻,霍尔电位梯度定义为初始电流密度乘以霍尔系数。
由于这两个梯度是相互垂直的,我们可以考虑它们的向量和,向量和的方向会偏离原来电流的方向一定角度。
这个角度的大小由电流方向的电场力与电流方向产生的电场的比值决定,称为霍尔角。相对于电流的方向,它可以是正的或负的,这取决于哪种载流子占主导地位——正的或负的。
霍尔效应接近传感器
霍尔效应基于具有主要盐度的载体的影响机制,这取决于导电物质的一般物理特性。对于金属和 n 型半导体,电子是载流子,对于 p 型半导体是空穴。
载流电荷与电子偏转到导线的同一侧。如果空穴和电子具有相同的浓度,它们会产生两个相反的霍尔电压。如果它们的浓度不同,则这两个霍尔电压之一占主导地位并且可以被测量。
对于正载流子,在洛伦兹力的影响下抵消载流子偏转所需的霍尔电压与负载流子的相应电压相反。在 n 型金属和半导体中,当外场或温度发生变化时,该电压甚至可能改变符号。
霍尔传感器是一种电子设备,旨在检测霍尔效应并将其结果转换为数据。此数据可用于打开和关闭电路,可由计算机处理,并可导致设备制造商和软件提供的各种效果。
实际上,霍尔传感器是简单、廉价的微电路,它们使用磁场来检测变量,例如机械系统的接近、速度或位移。
霍尔传感器是非接触式的,这意味着它们不需要与任何物理元件接触。它们可以根据其设计和用途生成数字或模拟信号。
霍尔效应传感器可以在手机、GPS 设备、指南针、硬盘驱动器、无刷电机、工厂装配线、汽车、医疗设备和许多物联网小工具中找到。