Эффект Холла. Датчик Холла

Для измерения индукции магнитного поля применяют датчики Холла. Явление Холла позволяет оценить знак свободных зарядов, их концентрацию, подвижность и т. д. Эффект Холла состоит в следующем. Если кусок полупроводника в виде прямоугольной пластины (рис. 4) поместить в магнитное поле с индукцией В и пропустить через него ток I_д. (с плотностью j), то между противоположными сторонами пластины возникает разность потенциалов Δφ. Эта поперечная (относительно I_д и В) разность потенциалов пропорциональна магнитной индукции В, току I и обратно пропорциональна толщине пластины h:

, (8)

где постоянная Холла R_х зависит от свойств полупроводника.

Физическая природа эффекта Холла может быть сведена к действию силы Лоренца

,

где е - величина заряда – носителя тока в полупроводнике, - скорость дрейфа заряда вследствие протекания токаI_д. Под действием этой силы носители тока смещаются к верхней (рис.4) грани пластинки. У противоположной грани образуется избыточный заряд противоположного знака, вследствие чего образуется электрическое поле с напряженностью и возникает соответствующая сила Кулона, действующая на заряд в сторону, обратнуюF_.л.

Процесс смещения зарядов по вертикали (рис.4) заканчивается, когда установится баланс сил F_Л=F_К. Это условие позволяет рассчитать ЭДС Холла Δφ Баланс сил дает еЕ=evВ, но , значит,. Известно, что плотность тока, гдеn₁ концентрация зарядов, . С учетом последнего, получим

, (9)

а постоянная Холла в формуле (8) .Чтобы получить побольше Δφ (для удобства измерений), применяет материалы с малой концентрацией носителей тока n₁, в частности полупроводники ( а не металлы, у которых n₁ выше).

Если носитель тока - положительная дырка то полярность Δφ одна, если отрицательный электрон - полярность меняется на обратную. Значит, эффект Холла позволяет установить полярность носителей тока, таким образом было установлено, что у таких металлов, как железо, вольфрам, цинк, носители тока -положительные дырки, а у таких, как медь, алюминий, серебро, никель, - отрицательные электроны.

Силовые линии магнитного поля на оси соленоида (рис.2) направлены вдоль оси, поэтому датчик Холла должен располагаться на торце специального штока, вставляемого в соленоид. Ориентировочные размеры датчика показаны на рис.4. В работе используется полупроводниковый датчик Холла. Ток датчика I_д=0,1 А, толщина датчика h=12 мкм, материал с электронной проводимостью и постоянной Холла R_х=4,8·10^-7 м³/Кл.

Экспериментальная установка

В состав установки входят один или два датчика Холла. «Продольный» датчик регистрирует компоненту магнитного поля, парал­лельную оси кронштейна датчика (рис.5а). «Поперечный» датчик ре­гистрирует компоненту магнитного поля, перпендикулярную плоскости кронштейна датчика (рис.5б). Каждый датчик содержит чувствительный элемент (собственно датчик Холла) 1, кронштейн 2, рукоятку 3, два двужильных кабеля 4 и 5 с нумерованными выводами. Электрические схемы датчиков приведены в разделе 5. Рукоятка крепится в рейтере эталонного датчика.

Для изучения эффекта Холла используются промышленные датчики Холла. На рис.6 приведена электрическая схема датчика, а на рис.7 - вид на датчик со стороны стрелки «В» (см. рис. 5). Проводящая пленка ДХК сформирована на поверхности полупроводникового кристалла. Через контакты 1 и 4 через пленку пропускают ток I. При наличии магнитного поля индукцией В, перпендикулярного плоскости пленки, между контактами 2 и 3 возникает разность потенциалов U_x (эффект Холла), пропорциональная току и индукции магнитного поля.

Схема включения датчиков Холла приведена на рис.8. Для создания тока используется питание, подведенное к модулям (+ 9В и -9В). Для создания магнитного поля используется основной выход генератора, работающего в режиме источника постоянного напряжения или тока, или источник питания +9В. Ток датчика регулируется потенциометромR₁ и измеряется амперметром А. Холловская ЭДС измеря­ется вольтметром V. Ток в катушке L измеряется с помощью мультиметра по падению напряжения на сопротивлении R_o = 1 Ом. Для продольного датчика в качестве L используется длинный соленоид, для поперечного - две кольцевые катушки.