Содержание страницы
Гальваномагнитные эффекты – это группа эффектов, связанных с воздействием магнитного поля на электрические свойства проводящих тел (металлов или полупроводников), по которым течёт электрический ток. К гальваномагнитным эффектам, представляющим наиболее значительный практический интерес, относятся эффект Холла и эффект магнитосопротивления.
Материалы с эффектом Холла
Эффект Холла – явление возникновения поперечной разности электрических потенциалов при помещении проводящего тела с постоянным электрическим током в магнитное поле. Это явление было открыто в 1879 г. американским физиком Э. Холлом.
Рис. 1. Схема проявления эффекта Холла
Эффект Холла проявляется следующим образом (рис. 1). В проводящей пластине, помещенной в магнитное поле, при прохождении по ней электрического тока I возникает разность потенциалов (холловское напряжение) U в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля B и направлению тока I. Эффект обусловлен действием силы Лоренца на заряды, движущиеся в проводнике. Разность потенциалов U пропорциональна индукции магнитного поля B и силе тока I и обратно пропорциональна линейному размеру пластины в направлении магнитного поля:
где R – постоянная Холла.
Для металлов и примесных полупроводников с одним типом проводимости
где q и n – заряд и концентрация носителей тока;
А – безразмерный коэффициент, связанный со статистическим характером распределения скоростей носителей тока.
По знаку постоянной Холла можно судить о типе проводимости проводника или полупроводника (при электронной проводимости q = –e и R < 0, при дырочной проводимости q = e и R > 0), а по ее величине можно определять концентрацию носителей тока, что позволяет использовать эффект Холла для исследования свойств полупроводников.
На основе эффекта Холла работают датчики Холла – приборы, измеряющие напряженность магнитного поля. Обычно конструкция такого датчика представляет собой тонкую прямоугольную пластину или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs) и имеет четыре электрода для подвода тока и съёма холловского напряжения. При помощи датчиков Холла можно измерять любую физическую величину, которая однозначно связана с магнитным полем: силу электрического тока, линейное и угловое перемещение, расход, скорость вращения и т.д. Бесконтактное срабатывание (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их широко востребованными в разных отраслях промышленности.
Одним из наиболее распространенных применений датчиков Холла является измерение электрического тока. В простейшем случае датчик устанавливается около провода, по которому течёт измеряемый ток (рис. 2, а). При этом выходное напряжение датчика будет пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник, а величина индукции, в свою очередь, будет пропорциональна току. Чувствительность датчика тока может быть значительно увеличена с помощью концентратора магнитного потока в виде магнитопровода с прорезью, в которую помещается датчик (рис. 2, б).
Важным достоинством холловских датчиков тока является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью.
Рис. 2. Холловский датчик электрического тока
Датчики Холла используются во многих видах позиционных приводов. При этом положение перемещаемой части, на которой закреплен магнит, устанавливается автоматически таким образом, чтобы разность между сигналом регулировки положения и сигналом датчика равнялась нулю. В частности, с помощью датчиков Холла можно получать информацию о положении ротора для управления электронным коммутатором (рис. 3). Необходимую для работы датчиков конфигурацию магнитного поля создают постоянные магниты, установленные на валу ротора. Датчики считывают угловую позицию вала и передают соответствующие данные схеме управления, которая обеспечивает своевременное отпирание и запирание силовых ключей электронного коммутатора обмоток статора.
Рис. 3. Холловский датчик положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока
Еще одной весьма распространенной областью применения датчиков Холла являются расходомеры. Так, в примере, показанном на рис. 3, магнитное поле создаётся постоянными магнитами, установленными на лопастях рабочего колеса, которое вращается потоком жидкости, протекающим по трубопроводу. Датчик Холла считывает обороты колеса и выдает импульсы, которые считываются внешним устройством и таким образом измеряется расход жидкости. При этом каждое изменение магнитного потока через датчик соответствует некоторой порции жидкости или газа, прошедшей через трубопровод. В частности, в схеме, показанной на рис. 4, датчик выдаёт два импульса за один оборот колеса.
Рис. 4. Холловский датчик расхода
Материалы с эффектом магнитосопротивления
Эффект магнитосопротивления (магниторезистивный эффект) – явление изменения электрического сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Это явление было обнаружено в 1856 г. английским физиком У. Томсоном (Кельвином). Оно объясняется тем, что в присутствии магнитного поля на носители электрического тока действует сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Без магнитного поля носители тока под действием приложенного к проводящему телу электрического напряжения перемещаются по кратчайшему направлению (прямолинейно). Изменение траектории под действием магнитного поля удлиняет путь носителей тока, что проявляется в увеличении сопротивления.
На использовании эффекта магнитосопротивления основано действие магниторезисторов и магнитодиодов, а также различных видов магниторезистивных датчиков.
Магниторезисторы представляют собой резисторы переменного сопротивления, величина которого зависит от напряженности приложенного магнитного поля (рис. 5). Основу конструкция магниторезистора составляет пластина полупроводника, на поверхность которой нанесены металлические полосы. Каждая часть пластины между смежными металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Металлические полосы играют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боковых гранях пластины. Важнейшими полупроводниковыми материалами, используемыми для изготовления магниторезисторов, являются антимонид индия InSb и арсенид индия InAs, которые характеризуются большой подвижностью носителей заряда.
Рис. 5. Конструкция магниторезистора
Магнитодиоды представляют собой диоды с толстой базой, сопротивление которой увеличивается в поперечном магнитном поле в результате уменьшения подвижности основных и неосновных носителей заряда (как в обычном магниторезисторе) (рис. 6). Увеличение сопротивления базы диода может быть связано также с уменьшением времени жизни неосновных носителей, если из-за искривления траектории движения неосновные носители будут достигать поверхности базовой области, где велика скорость их рекомбинации. В качестве материала для изготовления магнитодиодов обычно используются полупроводниковые кристаллы – германий или кремний, имеющие большую подвижность носителей заряда.
Рис. 6. Конструкция магнитодиода
Магниторезистивные датчики представляют собой специальные резисторы, выполненные из тонкой пермаллоевой пленки, нанесенной на кремниевую пластину. При их изготовлении пленка помещается в сильное магнитное поле для ориентации магнитных областей в одинаковом направлении, определяя тем самым направление вектора намагничивания. Затем, при попадании во внешнее магнитное поле, перпендикулярное пленке, вектор намагничивания начинает вращаться или изменять угол, что, в свою очередь, меняет сопротивление пленки. Магниторезистивные датчики широко применяются в разных отраслях промышленности, например, в автомобилестроении для измерения частоты вращения (антиблокировочная система, коробка передач, управление двигателем) и измерения угловой координаты (системы регулировки фар и сидений, рулевое управление). Их перспективно применять в системах промышленной автоматики (робототехнические устройства), а также в системах навигации (определение положения объекта относительно магнитного поля Земли).