2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
Эффект исследован в 1879 г., подразделяется на адиабатический и изотермический. Суть эффекта заключается в следующем. Если проводник, по которому протекает ток, поместить в перпендикулярное току поле, то в проводнике будет генерироваться ЭДС в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю.
Рис. 2.14 Механизм генерации ЭДС в результате эффекта Холла.
В основе данного явления лежит разделение движущихся зарядов в магнитном поле под действием силы Лоренца:
(2.32)
Движение зарядов в направлении, перпендикулярном направлению магнитных силовых линий, уравновешивается электрическим полем, создаваемым генерируемой ЭДС:
,
,
(2.33)
,
;
(2.34)
;
(2.35)
;
(2.36)
,
(2.37)
где k – конструктивный параметр;
Rх – постоянная Холла;
h – толщина проводника.
Датчики Холла используются для измерения величины тока, параметров магнитных полей, а так же для измерения ряда неэлектрических величин (микроперемещений, деформации, усилий и др.).
Рис. 2.15 Схема включения датчика Холла.
В сильных магнитных полях (В > 0,3Тл) под действием силы Лоренца может возникнуть циклотронное движение электронов по круговой орбите. При частоте поля, близкой к частоте циклотронного резонанса:
,
(2.38)
возникает аномальное увеличение поглощения энергии поля.
При помещении металла в сильное магнитное поле уровни электронов квантуются (квантование Ландау), изменяются уровни Ферми, что приводит к осцилляции магнитной проницаемости, проводимости. Это явление заметно проявляется для сверхпроводников в магнитных полях (квантовый магниторезистивный эффект Холла). Суть его заключается в том, что если охладить МОП (металл – окисел – полупроводник) структуру (холловский контакт) до температуры ниже критической, то ее сопротивление в магнитном поле будет изменяться ступенчатым образом.
пли поглощается дополнительное количество тепла.ем.
гия
увеличивается.к металлам выделяется
или
(2.39)
где h = 25812.807 Ом – постоянная Клитцинга.
Рис. . Зависимость холловского сопротивления от магнитного поля. На зависимости холловского сопротивления указаны факторы заполнения для некоторых «плато».
Как было замечено Клитцингом, при измерении эффекта Холла в инверсном слое кремниевого МОП транзистора при низких температур (Т ~ 1 K) и в сильных магнитных полях (B > 1 Тл) линейная зависимость холловского сопротивления сменяется чередой ступеней (плато) как показано на Рис. . Когда на зависимоcти холловского сопротивления RH наблюдается плато, продольное электрическое сопротивление становится очень малой величиной. При низких температурах ток в образце может течь без диссипации (рассеяния).
Для наблюдения эффекта гетероструктуру со сформированным двумерным электронным газом помещают в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости электронного газа. При пропускании тока через образец измеряют ток, а также возникающее напряжение вдоль и поперек образца.
Рис. Схема устройства для измерения квантового эффекта Холла.
Прецизионные
измерения показали, что на точности
квантования
не сказываются такие существенные
параметры эксперимента, как размеры
образцов, влияние границ, а также степень
совершенства структур, то есть наличие
большого количества примесей и дефектов,
тип материала, в котором находится
2D-электронный газ, температура и сила
измерительного тока. Экспериментальная
точность квантования так высока, что
встал вопрос о метрологических применениях
данного эффекта: проверке формул
квантовой электродинамики с помощью
прецизионного определенияпостоянной
тонкой структуры
или создания нового эталона сопротивления.
В измерительной технике данный эффект применяется для создания как эталонных, так и рабочих средств измерений. Высокая точность средств измерений, реализующих данный эффект, определяется отсутствием какого-либо влияния внешних факторов на значение сопротивления холловского контакта.
Контрольные вопросы к главе 2
Дайте определение физической и математической моделям эффектов и явлений.
Какие принципы и критерии используются для классификации физических эффектов?
Приведите классификацию первичных измерительных преобразователей.
Какие первичные преобразователи относятся к генераторным?
Каким отличительным признаком служит подразделение преобразователей на генераторные и параметрические?
Приведите физическую и математическую модели измерительного преобразователя.
Опишите основные причины погрешностей измерения физических величин.
В чем заключается суть метода электромеханических аналогий?
Перечислите достоинства электрических методов измерения неэлектрических величин?
Изобразите графически обобщенную эквивалентную схему замещения измерительного преобразователя.
Какие Вы знаете физические эффекты, обеспечивающие преобразование энергии механического воздействия в электрический сигнал?
В чем суть прямого и обратного пьезоэффекта?
Объясните механизм генерации зарядов на поверхности пьезокварца при механическом на него воздействии.
Укажите области применения пьезокерамических и пьезокварцевых измерительных преобразователей.
Укажите достоинства и недостатки пьезокерамики и пьезокварца.
Почему у пьезорезонатора частота антирезонанса выше частоты его механического резонанса?
Каким образом, и при каких условиях параметры соединительных проводов влияет на метрологические характеристики пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа?
Приведите примеры использования пироэлектричества в измерительной технике.
Какие Вы знаете термоэлектрические явления? Опишите их физическую природу.
Почему полупроводниковые термоэлектрические преобразователи характеризуются более высокой чувствительностью и нелинейностью рабочих характеристик по сравнению с проводниковыми термопарами?
Почему необходимо использовать компенсационные провода для подключения термопар к вторичным измерительным приборам?
Для каких материалов эффект Холла проявляет себя в большей степени: для проводников или полупроводников?
Предложите возможные области применения в измерительной технике для циклотронного резонанса и квантового эффекта Холла.