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Efecto Hall y sensores basados en él.
El efecto Hall fue descubierto en 1879 por el científico estadounidense Edwin Herbert Hall. Su esencia es la siguiente (ver figura). Si se pasa una corriente a través de una placa conductora y se dirige un campo magnético perpendicular a la placa, entonces el voltaje aparece en la dirección transversal a la corriente (y la dirección del campo magnético): Uh = (RhHlsinw) / d, donde Rh es el coeficiente Hall, que depende del material del conductor; H es la fuerza del campo magnético; I es la corriente en el conductor; w es el ángulo entre la dirección de la corriente y el vector de inducción de campo magnético (si w = 90 °, sinw = 1); d es el grosor del material.
Debido al hecho de que el efecto de salida está determinado por el producto de dos cantidades (H e I), los sensores Hall son muy utilizados. La tabla muestra los coeficientes de Hall para varios metales y aleaciones. Designaciones: Т - temperatura; B es el flujo magnético; Rh - Coeficiente de hall en unidades de m3 / C.
Los interruptores de proximidad de efecto Hall basados en el efecto Hall se han utilizado ampliamente en el extranjero desde principios de los años 70. Las ventajas de este interruptor son la alta confiabilidad y durabilidad, las pequeñas dimensiones, y las desventajas son el consumo constante de energía y un costo relativamente alto.
El principio de funcionamiento del generador Hall.pero
El sensor Hall tiene un diseño ranurado. Un semiconductor se encuentra en un lado de la ranura, a través del cual fluye la corriente cuando se enciende el encendido, y por otro lado, un imán permanente.
En un campo magnético, los electrones en movimiento se ven afectados por una fuerza. El vector de fuerza es perpendicular a la dirección de los componentes magnéticos y eléctricos del campo.
Si se introduce una oblea de semiconductores (por ejemplo, de arseniuro de indio o antimonuro de indio) en un campo magnético a través de la inducción en una corriente eléctrica, entonces surge una diferencia de potencial en los lados, perpendicular a la dirección de la corriente. El voltaje Hall (Hall EMF) es proporcional a la corriente y a la inducción magnética.
Hay un espacio entre la placa y el imán. En el espacio del sensor hay una pantalla de acero. Cuando no hay pantalla en el espacio, un campo magnético actúa sobre la placa semiconductora y se elimina la diferencia de potencial. Si hay una pantalla en el espacio, entonces las líneas de fuerza magnéticas se cierran a través de la pantalla y no actúan sobre la placa, en este caso, la diferencia de potencial no ocurre en la placa.
El circuito integrado convierte la diferencia de potencial creada en la placa en pulsos de voltaje negativo de cierto valor en la salida del sensor. Cuando la pantalla está en el espacio del sensor, habrá voltaje en su salida; si no hay pantalla en el espacio del sensor, entonces el voltaje en la salida del sensor está cerca de cero.
Efecto Hall cuántico fraccional
Mucho se ha escrito sobre el efecto Hall, este efecto se usa ampliamente en tecnología, pero los científicos continúan estudiándolo. En 1980, el físico alemán Klaus von Klitzung estudió el funcionamiento del efecto Hall a temperaturas ultrabajas. En una placa semiconductora delgada, von Klitzung cambió gradualmente la intensidad del campo magnético y descubrió que la resistencia de Hall no cambia suavemente, sino en saltos. La magnitud del salto no dependía de las propiedades del material, sino que era una combinación de constantes físicas fundamentales divididas por un número constante. Resultó que las leyes de la mecánica cuántica de alguna manera cambiaron la naturaleza del efecto Hall. Este fenómeno ha sido llamado el efecto Hall cuántico integral. Por este descubrimiento, von Klitzung recibió el Premio Nobel de Física en 1985.
Dos años después del descubrimiento de von Klitzung en el laboratorio Bell Telephone (en el que se abrió el transistor), los empleados de Stormer y Tsui estudiaron el efecto Hall cuántico utilizando una muestra excepcionalmente limpia de arseniuro de galio grande fabricado en el mismo laboratorio.La muestra tenía un grado de pureza tan alto que los electrones la pasaron de punta a punta sin encontrar obstáculos. El experimento de Stormer y Tsui tuvo lugar a una temperatura mucho más baja (casi cero absoluto) y con campos magnéticos más potentes que en el experimento de von Klitzung (un millón de veces más que Campo magnético de la tierra).
Para su gran sorpresa, Stormer y Tsui encontraron un salto en la resistencia de Hall tres veces mayor que la de von Klitzung. Luego descubrieron saltos aún mayores. El resultado fue la misma combinación de constantes físicas, pero dividida no por un número entero, sino por un número fraccionario. Los físicos cargan un electrón como una constante que no se puede dividir en partes. Y en este experimento, por así decirlo, participaron partículas con cargas fraccionarias. El efecto se llamó efecto Hall cuántico fraccional.
Un año después de este descubrimiento, un empleado del laboratorio La Flin dio una explicación teórica del efecto. Afirmó que la combinación de temperatura ultrabaja y un potente campo magnético hace que los electrones formen un fluido cuántico incompresible. Pero la figura que usa gráficos de computadora muestra el flujo de electrones (bolas) perforando el avión. Las asperezas en el plano representan la distribución de carga de uno de los electrones en presencia de un campo magnético y la carga de otros electrones. Si se agrega un electrón a un líquido cuántico, se forma una cierta cantidad de cuasipartículas con una carga fraccional (en la figura, esto se muestra como un conjunto de flechas para cada electrón).
En 1998, Horst Stormer, Daniel Tsui y Robert Laughlin recibieron el Premio Nobel de Física. Actualmente, H. Stormer es profesor de física en la Universidad de Columbia, D. Tsui es profesor en la Universidad de Princeton y R. Laughlin es profesor en la Universidad de Stanford.
Metal (aleación)
T, ° C
B, T
R, mj/ k
Aluminio
-190
0,54
-0,22
0
0,54
-0,33
+300
0,54
-0,39
+600
0,54
-0,41
Oro
-190
0,54
-0,715
0
0,54
-0,695
+300
0,54
-0,721
+600
0,54
-0,785
Plata
-190
0,54
-0,925
0
0,54
-0,909
+300
0,54
-0,949
+600
0,54
-1,002
Cobre
-190
0,54
-0,56
0
0,54
-0,513
+300
0,54
-0,543
+600
0,54
-0,587
Hierro
+26
0,3...1,7
+5,5
Cobalto
+ 100
0,1...1,6
+8,65
+300
0,1 ...1,6
+21,2
+460
0,1... 1,6
+89,4
+960
0,2... 1
+200
Antimonio morgan
+20
0...2
+ 1200
+320
0...2
+10500
Telurio de cromo
0
0-1,6
-31500
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