Efeito Hall negativo e positivo adiabático

Em um fio condutor de corrente colocado em um campo magnético, uma voltagem é induzida em uma direção perpendicular às direções da corrente elétrica e do campo magnético. O fenômeno do aparecimento de tal voltagem é chamado de efeito Hall, e a própria voltagem induzida é chamada de voltagem Hall.

Em 1879, o físico americano Edwin Hall (1855-1938), enquanto trabalhava em sua dissertação, descobriu um efeito interessante. Ele pegou uma placa de ouro fina carregando uma corrente contínua e a colocou em um campo magnético perpendicular ao plano da placa. Nesse caso, um campo elétrico adicional apareceu entre as bordas da placa. Mais tarde, esse fenômeno recebeu o nome do descobridor. O efeito Hall encontrou ampla aplicação: é usado para medir a indução de um campo magnético (sensores Hall), bem como para estudar as propriedades físicas de materiais condutores (usando o efeito Hall, pode-se calcular a concentração de portadores de corrente e seu signo).

Módulo sensor de efeito de corrente Hall ACS712 5A

Existem dois tipos de portadores de corrente elétrica — portadores positivos movendo-se em uma direção e portadores negativos movendo-se na direção oposta.

Os portadores negativos que se movem em uma determinada direção através de um campo magnético experimentam uma força que tende a desviar seu movimento de um caminho reto. Os portadores positivos que viajam na direção oposta através do mesmo campo magnético são desviados na mesma direção que os portadores negativos.

Como resultado de tal desvio de todos os portadores de corrente sob a influência das forças de Lorentz para o mesmo lado do condutor, um gradiente de população de portadores é estabelecido e, em um lado do condutor, o número de portadores por unidade de volume será maior que no outro.

A figura abaixo ilustra o resultado geral desse processo quando há números iguais de portadores de dois tipos.

Aqui, os gradientes de potencial gerados por portadores de dois tipos são direcionados um contra o outro, de modo que sua influência não pode ser detectada quando observada de fora. Se as portadoras de um tipo são mais numerosas que as portadoras de outro tipo, então o gradiente da população de portadoras gera um potencial de gradiente Hall, como resultado do qual a tensão Hall aplicada ao fio pode ser detectada.

Efeito Hall negativo adiabático. Se apenas os elétrons são portadores de carga, então o gradiente de temperatura e o gradiente de potencial elétrico apontam em direções opostas.

Efeito Hall Adiabático. Se apenas os buracos são portadores de carga, então o gradiente de temperatura e o gradiente de potencial elétrico apontam na mesma direção

Se a corrente através do fio sob a influência da tensão Hall for impossível, entre pelas forças de Lorentz e através do equilíbrio de tensão de Hall é estabelecido.

Neste caso, as forças de Lorentz tendem a criar um gradiente de população de portadores ao longo do fio, enquanto a tensão de Hall tende a restaurar uma distribuição uniforme da população ao longo do volume do fio.

A intensidade (tensão por unidade de espessura) do campo elétrico Hall direcionado perpendicularmente às direções d da corrente e do campo magnético é determinada pela seguinte fórmula:

Fz = KzVJ,

onde K.z — Coeficiente de Hall (seu sinal e valor absoluto podem variar significativamente dependendo das condições específicas); B - indução magnética e J é a densidade da corrente que flui no condutor (o valor da corrente por unidade da área da seção transversal do condutor).

A figura mostra uma folha de material que conduz uma forte corrente i quando suas extremidades são conectadas a uma bateria. Se medirmos a diferença de potencial entre os lados opostos, isso nos dará zero, como mostra a figura à esquerda. A situação muda quando o campo magnético B é aplicado perpendicularmente à corrente na folha, veremos que uma diferença de potencial V3 muito pequena aparece entre os lados opostos como mostra a figura à direita.

O termo «adiabático» é usado para descrever as condições em que não há fluxo de calor do exterior para ou do sistema em consideração.

Existem camadas de material isolante em ambos os lados do fio para evitar o fluxo de calor e corrente na direção transversal.

Como a tensão de Hall depende da distribuição desigual dos portadores, ela só pode ser mantida dentro do corpo se a energia for fornecida por alguma fonte externa ao corpo.Essa energia vem de um campo elétrico que cria uma corrente inicial na substância. Dois gradientes de potencial são estabelecidos em uma substância galvanomagnética.

O gradiente de potencial inicial é definido como a densidade de corrente inicial multiplicada pela resistência da substância, e o gradiente de potencial de Hall é definido como a densidade de corrente inicial multiplicada pelo coeficiente de Hall.

Como esses dois gradientes são mutuamente perpendiculares, podemos considerar sua soma vetorial, cuja direção será desviada por algum ângulo da direção da corrente original.

Este ângulo, cujo valor é determinado pela relação entre as forças do campo elétrico orientado na direção da corrente e o campo elétrico gerado na direção da corrente, é chamado de ângulo de Hall. Pode ser positivo ou negativo em relação à direção da corrente, dependendo de quais portadores são dominantes – positivo ou negativo.

Sensor de Proximidade de Efeito Hall

O efeito Hall é baseado no mecanismo de influência de um portador com salinidade predominante, que depende das propriedades físicas gerais da substância condutora. Para metais e semicondutores do tipo n, os elétrons são portadores, para semicondutores do tipo p - buracos.

As cargas que transportam corrente são desviadas para o mesmo lado do fio que os elétrons. Se buracos e elétrons tiverem a mesma concentração, eles geram duas tensões Hall opostas. Se suas concentrações forem diferentes, então uma dessas duas tensões de Hall predomina e pode ser medida.

Para portadoras positivas, a tensão de Hall necessária para neutralizar as deflexões da portadora sob a influência das forças de Lorentz é oposta à tensão correspondente para portadoras negativas. Em metais e semicondutores do tipo n, essa tensão pode até mudar de sinal quando o campo externo ou a temperatura mudam.

Um sensor Hall é um dispositivo eletrônico projetado para detectar o efeito Hall e converter seus resultados em dados. Esses dados podem ser usados ​​para ligar e desligar circuitos, podem ser processados ​​por um computador e podem causar vários efeitos fornecidos pelo fabricante do dispositivo e pelo software.

Na prática, os sensores Hall são microcircuitos simples e baratos que usam campos magnéticos para detectar variáveis ​​como aproximação, velocidade ou deslocamento de um sistema mecânico.

Os sensores Hall são sem contato, o que significa que não precisam entrar em contato com nenhum elemento físico, podendo gerar um sinal digital ou analógico, dependendo de seu projeto e finalidade.

Os sensores de efeito Hall podem ser encontrados em telefones celulares, dispositivos GPS, bússolas, discos rígidos, motores brushless, linhas de montagem de fábricas, automóveis, dispositivos médicos e muitos dispositivos da Internet das Coisas.

Aplicação do Efeito Hall: Sensores de salão e Medição de grandezas magnéticas