4.3 Преобразователи Холла, магниторезисторы

Принцип действия преобразователей Холла и магниторезисторов основан на силовом влиянии магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Эти преобразователи также относят к гальваномагнитным, поскольку поле действует на заряды, движущиеся в полупроводнике. В основе принципа действия преобразователей Холла лежит эффект Холла, магниторезисторных преобразователей – эффект Гаусса.

Эффект Холла – это электромагнитное явление (рис. 4.8), которое было обнаружено в 1979 году американским физиком Эдвином Гербертом Холлом. Пусть ток I в неподвижной пластине толщиной h обусловлен упорядоченным движением электрических зарядов q. Если число этих зарядов в единице объема пластинки равно n, а средняя скорость их упорядоченного движения равна V, то сила тока выразится формулой:

I = qVnS,

где S = ah – площадь поперечного сечения пластины.

При наличии магнитного поля с индукцией В на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца:

F = q[V·В].

A

Б

E_н

Рис. 4.8 Иллюстрация эффекта Холла

Под влиянием этой силы заряды q отклоняются к правой грани пластинки. Разумеется, что эти рассуждения справедливы только для изображенных на рис. 4.8 направлений тока I и вектора В. Таким образом, вблизи правой грани будет избыток зарядов q, а вблизи левой грани обнаружится недостаток этих зарядов. В результате этого в пластине возникнет поперечное электрическое поле, направленное справа налево, если заряды q положительны, и слева направо, если они отрицательны. Обозначим напряженность образовавшегося электрического поля через Е. Сила qЕ, действующая со стороны поперечного электрического поля на заряд q, направлена в сторону, противоположную направлению силы Лоренца. В случае равновесного процесса прохождения тока по пластине эти силы взаимно уравновешиваются, т. е.

qЕ = qVВ.

Поэтому численное значение напряженности электрического поля равно:

Е = VВ.

Если пластина достаточно длинная и широкая, то поперечное электрическое поле в ней можно считать однородным (оно подобно полю в плоском конденсаторе). Тогда разность потенциалов Δφ_АБ между зажимами А и Б прямо пропорциональна силе тока I, индукции магнитного поля В и обратно пропорциональна толщине пластины h, т. е.

Δφ_АБ = Еa = IВR/h,

где R = 1/nq – постоянная Холла, Омм/Тл.

В слабых магнитных полях, где В < 0,1 Тл, зависимость возникающего напряжения от величины В – квадратичная, а в полях, где магнитная индукция В = (0,1–1) Тл, – линейная. В большинстве случаев в процессе измерений ток I остается неизменным, и тогда вводится параметр – магнитная чувствительность γ = E/B при номинальном токе. В паспорте на преобразователь, как правило, указываются такие технические параметры:

• средняя чувствительность при +25 °С и максимальном управляющем токе, В/Тл;

• сила максимального управляющего тока, мА;

• температурный коэффициент чувствительности;

• входное и выходное сопротивления (+25 °С), кОм;

• размеры активной части преобразователя, мм;

• габаритные размеры преобразователя в слюдяных обкладках, мм;

• измеряемая магнитная индукция, Тл.

Промышленностью серийно выпускаются кремниевые, германиевые и арсенид-галлиевые преобразователи Холла. Например, ДХК-7Г, ДХГ-2м, ХАГ-П13 и др.

В основе принципа действия магниторезисторных преобразователей лежит эффект Гаусса, заключающийся в изменении электрического сопротивления проводника или полупроводника при помещении его в магнитное поле. Магниторезисторы применяют в основном для измерения полей с магнитной индукцией выше 0,2 Тл, поэтому в магнитной дефектоскопии их не удается использовать для регистрации полей рассеяния дефектов.

Эффект Гаусса особенно сильно проявляется у висмута, поэтому висмутовую спираль используют для измерения напряженности магнитных полей. Измерение заключается в следующем. Спираль помещают в магнитное поле и с помощью электрического моста или потенциометра постоянного тока измеряют ее электрическое сопротивление при 18 °С. Имеет место линейная зависимость:

R_н/R₀ = f(Н),

где R₀ – сопротивление спирали при отсутствии магнитного поля;

R_н – сопротивление спирали при напряженности поля Н.

Кроме висмута, наиболее ярко эффект Гаусса проявляется в магниторезисторах из антимонида индия InSb и арсенида индия InAs, антимонида галлия GnSb и арсенида галлия GnAs и др. Некоторые технические характеристики магниторезисторов приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Технические характеристика магниторезисторов

Параметр	Материал магниторезистора
	InSb	InAs
Сопротивление, Ом:
при отсутствии магнитного поля	0,5–200	0,5–200
при В = 1 Тл	50–4000	1–400
Относительное изменение сопротивления при В, Тл:
• 0,1	0,2–0,5	0,03–0,5
• 0,5	5–8	0,5–1,0
• 1,0	10–16	2–3
Габаритные размеры, мм: наименьшие наибольшие	5×3×0,2 8×6×0,5	5×3×0,2 8×6×0,5

Чувствительность по напряжению магниторезисторов к слабым магнитным полям меньше, чем у преобразователей Холла. Они имеют более высокий коэффициент передачи в полях с индукцией выше 0,2 Тл, поэтому их используют при измерении сильных магнитных полей.