Efecto Hall adiabático negativo y positivo

En un alambre que lleva corriente colocado en un campo magnético, se induce un voltaje en una dirección perpendicular a las direcciones de la corriente eléctrica y el campo magnético. El fenómeno de la aparición de dicho voltaje se denomina efecto Hall, y el voltaje inducido en sí se denomina voltaje Hall.

En 1879, el físico estadounidense Edwin Hall (1855-1938), mientras trabajaba en su disertación, descubrió un efecto interesante. Tomó una delgada placa de oro por la que circulaba una corriente continua y la colocó en un campo magnético perpendicular al plano de la placa. En este caso, apareció un campo eléctrico adicional entre los bordes de la placa. Más tarde, este fenómeno recibió el nombre del descubridor. El efecto Hall ha encontrado una amplia aplicación: se utiliza para medir la inducción de un campo magnético (sensores Hall), así como para estudiar las propiedades físicas de los materiales conductores (utilizando el efecto Hall, se puede calcular la concentración de portadores de corriente y su signo).

Módulo sensor de efecto de corriente Hall ACS712 5A

Hay dos tipos de portadores de corriente eléctrica: portadores positivos que se mueven en una dirección y portadores negativos que se mueven en la dirección opuesta.

Los portadores negativos que se mueven en cierta dirección a través de un campo magnético experimentan una fuerza que tiende a desviar su movimiento de una trayectoria recta. Los portadores positivos que viajan en dirección opuesta a través del mismo campo magnético se desvían en la misma dirección que los portadores negativos.

Como resultado de tal desviación de todos los portadores de corriente bajo la influencia de las fuerzas de Lorentz hacia el mismo lado del conductor, se establece un gradiente de población de portadores, y en un lado del conductor el número de portadores por unidad de volumen será mayor que en el otro.

La siguiente figura ilustra el resultado general de este proceso cuando hay un número igual de portadores de dos tipos.

Aquí, los gradientes de potencial generados por portadores de dos tipos están dirigidos uno contra el otro, por lo que su influencia no puede detectarse cuando se observa desde el exterior. Si los portadores de un tipo son más numerosos que los portadores de otro tipo, entonces el gradiente de población de portadores genera un potencial de gradiente de Hall, como resultado del cual se puede detectar el voltaje de Hall aplicado al cable.

Efecto Hall negativo adiabático. Si solo los electrones son portadores de carga, entonces el gradiente de temperatura y el gradiente de potencial eléctrico apuntan en direcciones opuestas.

Efecto Hall adiabático. Si solo los agujeros son portadores de carga, entonces el gradiente de temperatura y el gradiente de potencial eléctrico apuntan en la misma dirección.

Si la corriente a través del cable bajo la influencia del voltaje Hall es imposible, entonces entre por las fuerzas de Lorentz ya través del Hall se establece el equilibrio de tensión.

En este caso, las fuerzas de Lorentz tienden a crear un gradiente de población de portadores a lo largo del cable, mientras que el voltaje de Hall tiende a restablecer una distribución de población uniforme en todo el volumen del cable.

La fuerza (voltaje por unidad de espesor) del campo eléctrico de Hall dirigido perpendicularmente a las direcciones de la corriente d y del campo magnético se determina mediante la siguiente fórmula:

Fz = KzVJ,

donde K.z — Coeficiente de Hall (su signo y valor absoluto pueden variar significativamente según las condiciones específicas); B — inducción magnética y J es la densidad de la corriente que fluye en el conductor (el valor de la corriente por unidad de área transversal del conductor).

La figura muestra una lámina de material que conduce una fuerte corriente i cuando sus extremos están conectados a una batería. Si medimos la diferencia de potencial entre los lados opuestos, nos dará cero, como se muestra en la figura de la izquierda. La situación cambia cuando se aplica el campo magnético B perpendicular a la corriente en la lámina, veremos que aparece una diferencia de potencial muy pequeña V3 entre los lados opuestos como se muestra en la figura de la derecha.

El término «adiabático» se utiliza para describir condiciones en las que no hay flujo de calor desde el exterior hacia o desde el sistema en consideración.

Hay capas de material aislante en ambos lados del cable para evitar el flujo de calor y corriente en la dirección transversal.

Dado que el voltaje de Hall depende de la distribución desigual de los portadores, solo se puede mantener dentro del cuerpo si la energía proviene de alguna fuente externa al cuerpo.Esta energía proviene de un campo eléctrico que crea una corriente inicial en la sustancia. En una sustancia galvanomagnética se establecen dos gradientes de potencial.

El gradiente de potencial inicial se define como la densidad de corriente inicial multiplicada por la resistencia de la sustancia, y el gradiente de potencial de Hall se define como la densidad de corriente inicial multiplicada por el coeficiente de Hall.

Dado que estos dos gradientes son mutuamente perpendiculares, podemos considerar su suma vectorial, cuya dirección se desviará algún ángulo de la dirección de la corriente original.

Este ángulo, cuyo valor está determinado por la relación de las fuerzas del campo eléctrico orientado en la dirección de la corriente y el campo eléctrico generado en la dirección de la corriente, se denomina ángulo de Hall. Puede ser positivo o negativo con respecto a la dirección de la corriente, dependiendo de qué portadores sean dominantes, positivo o negativo.

Sensor de proximidad de efecto Hall

El efecto Hall se basa en el mecanismo de influencia de un portador con salinidad predominante, que depende de las propiedades físicas generales de la sustancia conductora. Para metales y semiconductores de tipo n, los electrones son portadores, para semiconductores de tipo p, agujeros.

Las cargas que transportan corriente se desvían hacia el mismo lado del cable que los electrones. Si los huecos y los electrones tienen la misma concentración, generan dos voltajes Hall opuestos. Si sus concentraciones son diferentes, entonces uno de estos dos voltajes de Hall predomina y se puede medir.

Para los portadores positivos, el voltaje de Hall requerido para contrarrestar las desviaciones del portador bajo la influencia de las fuerzas de Lorentz es opuesto al voltaje correspondiente para los portadores negativos. En metales y semiconductores de tipo n, este voltaje puede incluso cambiar de signo cuando cambia el campo externo o la temperatura.

Un sensor Hall es un dispositivo electrónico diseñado para detectar el efecto Hall y convertir sus resultados en datos. Estos datos pueden usarse para encender y apagar circuitos, pueden ser procesados ​​por una computadora y pueden causar varios efectos proporcionados por el software y el fabricante del dispositivo.

En la práctica, los sensores Hall son microcircuitos simples y económicos que utilizan campos magnéticos para detectar variables como la aproximación, la velocidad o el desplazamiento de un sistema mecánico.

Los sensores Hall son sin contacto, lo que significa que no necesitan entrar en contacto con ningún elemento físico, pueden generar una señal digital o analógica, dependiendo de su diseño y propósito.

Los sensores de efecto Hall se pueden encontrar en teléfonos celulares, dispositivos GPS, brújulas, discos duros, motores sin escobillas, líneas de ensamblaje de fábricas, automóviles, dispositivos médicos y muchos dispositivos de Internet de las cosas.

Aplicación de efecto Hall: Sensores de pasillo y Medida de magnitudes magnéticas