Открытие, исторический очерк
В 1861–1862 годах Джеймс Клерк Максвелл провел исследование, которое произвело революцию в теории электромагнетизма. Результаты этих исследований он описал в четырехтомном издании под названием « О физических силовых линиях», т. е. о физических силовых линиях. Хотя его взгляды не были подтверждены тогдашней математикой, сегодня мы считаем этого ученого создателем современной теории электромагнетизма.
Пока Максвелл работал над математической стороной своей теории, многие учёные проверяли её на практике. Важным вопросом в этой области было взаимодействие магнитов и электрического тока, а также связь между проводниками и магнитными полями.
В 1879 году этот эффект исследовал Эдвин Холл, открывший явление, позже названное его именем, во время работы над докторской диссертацией в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе.
Однако первое (экспериментальное) практическое применение произошло лишь 18 лет спустя.
Согласно определению, эффект заключается в следующем: если в проводнике или полупроводнике, помещенном в магнитное поле, течет ток, то на частицы, несущие ток (в случае металлов – электроны), воздействует так называемое Сила Лоренца, означающая, что по обе стороны проводника существует разность потенциалов. Это напряжение называется напряжением Холла.
Напряжение Холла достаточно велико, чтобы нейтрализовать упомянутую силу Лоренца, действующую на заряженные частицы:
U H = – (I ∙ B) / (q ∙ n ∙ d)
Где:
U H – напряжение Холла
Я – текущий
Б – магнитная индукция
q – базовая плата
n – концентрация заряженных частиц
d – толщина проволоки, параллельной B
Проще говоря, суть эффекта Холла заключается в том, что если через материал (проводник/полупроводник) пропускается ток и магнитное поле движется перпендикулярно направлению тока, то протекающие через него электроны отклоняются в одном направлении. Это отклонение определяется направлением магнитного поля и протекающего тока.
Это напряжение Холла возникает из-за того, что на одной стороне материала больше электронов, а на другой меньше, поэтому между двумя сторонами создается разность потенциалов.
Это явление используется в различных типах датчиков, в том числе:
А) Линейные датчики: выходное напряжение зависит от силы магнитного поля.
Б) Выходы логических сигналов:
Однополюсные датчики: непрерывный выходной сигнал сохраняется, когда напряженность магнитного поля достигает определенного уровня.
Биполярные датчики: включаются при приближении одного полюса и выключаются при приближении другого.
Многополюсные датчики: При приближении включаются независимо от направления намагничивания.
Теоретические исследования эффекта Холла весьма разнообразны, поэтому мы не будем останавливаться на нем подробно.
Магниты, вращающиеся на диске перед датчиком Холла
Практическое применениеПеречисленные выше решения являются наиболее распространенными формами датчиков Холла. Пожалуй, самым популярным из них является биполярный или биполярный датчик, который используется в промышленности для определения положения.
Одним из наиболее распространенных примеров является определение положения ротора бесщеточных электродвигателей постоянного тока и переключение транзисторов в соответствующем порядке.
Эту функцию начали использовать в компьютерных клавиатурах в 1960-х годах, но она все еще считалась дорогим решением, поэтому первоначально ее использовали в устройствах, критически важных для безопасности (например, используемых в военных целях). Хотя эта технология была дорогой, она работала очень надежно и предсказуемо.
В настоящее время датчики можно производить гораздо дешевле, поэтому они также распространены во многих периферийных устройствах (например, в ролике компьютерной мыши).
Кроме того, он также используется в измерительной технике (измерители тока с навесным замком), в качестве линейного преобразователя и во многих других областях.
Применение в автомобильной промышленности
Применение в легковых автомобилях также основано на том же принципе.
Если на передатчик подается напряжение (например, 12 В), через него будет течь ток. В результате движения магнита возле него создается обнаруживаемое напряжение.
Поскольку в транспортных средствах относительно много движущихся частей, датчики Холла можно найти во многих местах. В простейших практических реализациях датчик контролирует вращательное движение, поэтому перед датчиком обычно находится круглый диск с небольшими магнитами. В таком виде датчик Холла можно встретить, например, в датчиках углового положения первичного и распределительного валов или в датчиках ABS.
Вентилятор охлаждения двигателя с датчиком Холла
Датчики Холла также используются в указателях уровня топлива в некоторых автомобилях. Датчик используется для определения положения плавающего элемента внутри топливного бака.
Преимущества, используемые материалы
Датчик Холла работает очень хорошо, если подвижность электронов низкая. Это ограничивает группу материалов, подходящих для датчиков Холла:
- Мышьяк-галлий (GaAs)
- Арсенек инду (ИнАс)
- Фосфорек инду (InP)
- Antymonek indu (InSb)
- имеет значение
Хотя эти материалы не обязательно дешевы, для изготовления одной детали требуется минимальное количество. Хотя датчик Холла является очень точным устройством, его производство по-прежнему экономически выгодно. Срок службы намного больше, чем, например, у автоматического выключателя, используемого в системе зажигания легковых автомобилей.
Кроме того, нельзя забывать и о габаритах: датчик Холла чрезвычайно компактен, поэтому его можно легко установить во многих местах без необходимости серьезных доработок.
С 1970-х годов датчик Холла считается незаменимым элементом в автомобильной промышленности, поэтому не похоже, что какое-либо другое устройство, работающее по такому же принципу, сможет вытеснить его с рынка.