11 Гальваномагнітні перетворювачі
Гальваномагнітними називають ефекти, суть яких полягає в зміні фізичних властивостей провідників або напівпровідників при протіканні через них електричного струму і одночасної дії на них магнітного поля.
Суть ефекту Холла полягає у виникненні поперечної різниці потенціалів (ЕРС Холла) під дією електричного струму, що проходить через гальваномагнітний елемент та перпендикулярного до нього магнітного потоку. В даних умовах у гальваномагнітному елементі виникає ефект виникнення поперечної різниці температур. Внаслідок цього ефекту в гальваномагнітному елементі виникає поперечна термо – ЕРС.
11.1 Перетворювачі Холла
Представляють собою чотирьохполюсник, який виконаний у вигляді тонкої пластинки або плівки з напівпровідникового матеріалу (рисунок 11.1)
Рисунок 11.1– Перетворювач Холла
Електроди 1 і 2 розташовані по ширині поперечних граней, що забезпечує рівномірний розподіл вхідного струму по січенню перетворювача. Потенціальні (Холлові) електроди 3 і 4 розміщені в центральній частині поздовжніх граней.
В магнітному полі носії заряду під дією сил Лоренца F=eυB змінюють свою траєкторію, внаслідок чого на одній із бокових граней концентрація зарядів одного знаку збільшується, в той час коли на протилежній грані – зменшується. Виникає при цьому різниця потенціалів (ЕРС Холла), яка рівна :
,
(11.1)
де Rхл – постійна Холла, яка залежить від властивостей матеріалу перетворювача;
φ(Кгеом,θ) – функція, яка залежить від геометрії перетворювача і так званого кута Холла θ між векторами густини струму і напруженості і викликаючого його електричного поля, яке визначається рухомістю носіїв заряду і значенням магнітної індукції;
α – кут між векторами магнітної індукції і магнітною віссю перетворювача.
Особливо ефект Холла проявляється в германію (Ge), кремнію (Si) і напівпровідниках, які складаються з елементів III i V груп періодичної системи.
Кристалічні перетворювачі Холла виготовляються у вигляді тонких пластинок 0,01 ÷ 0,2 мм, які вирізають із монокристалу і шліфують.
Хорошими метрологічними характеристиками вирізняються плівкові перетворювачі Холла із тонких полікристалічних плівок InAs (арсенід) і InSb (антимонід індію).
Складові похибки перетворювачів Холла :
- похибка нуля (зумовлена температурним дрейфом залишкової напруги);
- похибка лінійності;
- похибка від власного магнітного поля перетворювача;
- похибка направленості (просторового розташування);
- температурна похибка.
Найбільш широке застосування отримали для вимірювання параметрів постійних, змінних та імпульсних магнітних полів і для визначення характеристик феромагнітних матеріалів.
11.2 Магніторезистивні перетворювачі
Магніторезистивний ефект проявляється в зміні електричного опору провідника під дією магнітного поля.
Магніторезистори являють собою гальваномагнітні перетворювачі, зміна опору яких обумовлена зміною рухомості носіїв заряду. Під дією магнітного поля траєкторія носіїв викривляється, в наслідок чого швидкість їх руху в напрямку електричного поля зменшується.
Рівняння магніторезистивного перетворювача :
RB = RB=0 [1+A|uB|m], (11.2)
де u – рухомість носіїв заряду;
RB=0 – опір перетворювача при В=0;
A – магніторезистивний коефіцієнт, який залежить від властивостей матеріалу і форми перетворювача;
m – показник степені, рівний 2 при uВ≤1, і рівний 1 при uВ≥1.
Як видно з рисунку 11.2,а, як у постійному, так і у змінному магнітному полі їх опір збільшується.
Магніторезистивний коефіцієнт А залежить від форми магніторезистора. Чим менше співвідношення довжини резистора до площі його січення, тим більший коефіцієнт А. В цьому відношенні ідеальна конструкція у вигляді диску Корбіно (рисунок 11.2,б), в якої один електрод закріплений в центрі, а інший у вигляді обідка на окружності. У нього немає граней, отже зменшується ефект Холла. Недоліком описаних вище конструкцій є малий початковий опір. Для його збільшення магніторезистори виконуються у вигляді коротких напівпровідникових резисторів, які послідовно з'єднані провідними шарами (рисунок 11.2,в). Це дозволяє досягнути опору кілька кОм при збереженні коефіцієнта А.
Рисунок 11.2 – Магніторезистивний перетворювач
Магніторезистивні перетворювачі використовують при створенні теслометрів при роботі при низьких температурах і давачів вимірювання неелектричних величин, які можна легко перетворити у вимірювання магнітного поля.