Содержание страницы
Гальваномагнитные эффекты представляют собой важное явление в физике, которое исследует влияние магнитного поля на электрические свойства проводников. Эти эффекты, в частности, включают эффект Холла и эффект магнитосопротивления, которые имеют широкий спектр практических применений в различных отраслях науки и техники.
Понимание этих явлений позволяет разрабатывать новые технологии, связанные с измерением магнитных полей, контроля тока и других физических величин, которые тесно связаны с магнитными процессами. С учетом роста интереса к этим материалам, они находят применение не только в промышленности, но и в области медицины, автомобильной электронике, а также в области навигации и робототехники.
История гальваномагнитных эффектов начинается с открытия эффекта Холла в 1879 году. Американский физик Эдвин Холл, проводя эксперименты с проводниками в магнитном поле, заметил, что в определенных условиях возникает поперечная разность потенциалов. Это явление было названо эффектом Холла, и оно положило начало развитию целой отрасли, связанной с изучением влияния магнитных полей на проводники. С тех пор эффект Холла стал основой для создания множества устройств, таких как датчики Холла, которые используются для измерения магнитных полей, а также для определения свойств материалов, таких как концентрация носителей заряда.
Магнитосопротивление, или магниторезистивный эффект, был открыт в 1856 году английским ученым Уильямом Томсоном, более известным как лорд Кельвин. Его исследование показало, что электрическое сопротивление проводника изменяется при воздействии магнитного поля, и это изменение прямо связано с величиной магнитного поля. Со временем были разработаны различные типы магниторезистивных материалов, которые оказались очень полезными для создания новых сенсоров и датчиков, а также для точных измерений в области магнитных исследований.
Гальваномагнитные эффекты представляют собой явления, которые связаны с влиянием магнитного поля на электрические характеристики проводящих материалов, таких как металлы и полупроводники, через которые протекает электрический ток. Среди них наибольшее практическое значение имеют эффект Холла и эффект магнитосопротивления.
Материалы, демонстрирующие эффект Холла
Эффект Холла – это физическое явление, которое проявляется в виде поперечной разности электрических потенциалов при помещении проводящего вещества с постоянным током в магнитное поле. Данное явление было впервые обнаружено в 1879 году американским физиком Эдвардом Холлом.
Рис. 1. Схема проявления эффекта Холла
Этот эффект можно описать следующим образом (рис. 1). Когда проводящий материал помещён в магнитное поле и через него пропускается электрический ток I, возникает разность потенциалов (холловское напряжение) U, направленная перпендикулярно как к вектору магнитной индукции B, так и к току I. Причиной появления этого напряжения является действие силы Лоренца на движущиеся заряды в проводнике. Холловское напряжение пропорционально магнитной индукции B и току I, а также обратно пропорционально линейному размеру пластины в направлении магнитного поля:
где R – постоянная Холла.
Для металлов и полупроводников с однородной проводимостью, эффект можно выразить так:
где q и n – заряд и концентрация носителей тока соответственно; А – безразмерный коэффициент, связанный с характером распределения скоростей носителей.
Знак постоянной Холла позволяет определить тип проводимости материала (если q = –e и R < 0, то проводник обладает электронной проводимостью; если q = e и R > 0, то это дырочная проводимость), а её величина помогает исследовать концентрацию носителей тока, что делает эффект Холла важным инструментом для анализа свойств полупроводников.
Эффект Холла лежит в основе работы Холловских датчиков – приборов, предназначенных для измерения магнитного поля. Такие датчики, как правило, представляют собой тонкие прямоугольные пластины или пленки из полупроводников (Si, Ge, InSb, InAs) с четырьмя электродами для подачи тока и снятия холловского напряжения.
С помощью этих датчиков можно измерять различные физические величины, напрямую связанные с магнитным полем, такие как сила электрического тока, скорость вращения, расход, линейное и угловое перемещение и другие параметры. Преимущества таких датчиков включают бесконтактное срабатывание (отсутствие механического износа), низкую стоимость и простоту в эксплуатации, что объясняет их популярность в различных областях промышленности.
Одним из распространённых применений Холловских датчиков является измерение электрического тока. В этом случае датчик размещается рядом с проводом, по которому проходит ток (рис. 2, а). Напряжение на выходе датчика пропорционально магнитной индукции вокруг проводника, а индукция, в свою очередь, прямо пропорциональна току. Для повышения чувствительности датчика можно использовать концентратор магнитного потока в виде магнитопровода с прорезью, в которой располагается датчик (рис. 2, б).
Холловские датчики тока имеют ещё одно важное достоинство: они не имеют электрической связи с измеряемой цепью, что делает их безопасными и удобными для применения в различных системах.
Рис. 2. Холловский датчик электрического тока
Датчики Холла также широко применяются в позиционных приводах, где положение перемещающегося элемента с магнитом регулируется автоматически. Разность между сигналом регулировки положения и сигналом датчика должна быть равна нулю. С помощью таких датчиков можно отслеживать положение ротора для управления электронным коммутатором (рис. 3).
Для работы датчиков создаётся необходимое магнитное поле с помощью постоянных магнитов, установленных на валу ротора. Датчики фиксируют угловое положение вала и передают эти данные в управляющую систему, которая обеспечивает правильную работу электронных коммутаторов обмоток статора.
Рис. 3. Холловский датчик положения ротора бесколлекторного двигателя постоянного тока
Ещё одно важное применение Холловских датчиков – это расходомеры. В примере на рис. 4, магнитное поле создается постоянными магнитами, установленными на лопастях рабочего колеса, которое вращается под воздействием потока жидкости, проходящей через трубопровод. Датчик Холла фиксирует количество оборотов колеса, выдавая импульсы, которые считываются внешними устройствами и позволяют измерить расход жидкости. Каждое изменение магнитного потока через датчик соответствует определенному объему жидкости, прошедшему через трубопровод.
Рис. 4. Холловский датчик расхода
Материалы с эффектом магнитосопротивления
Эффект магнитосопротивления (или магниторезистивный эффект) представляет собой явление, при котором электрическое сопротивление проводящих материалов изменяется под воздействием магнитного поля. Этот эффект был открыт в 1856 году английским ученым У. Томсоном (также известным как Кельвин). Суть явления заключается в том, что магнитное поле воздействует на носителей тока через силу Лоренца, что изменяет траекторию их движения. В отсутствие магнитного поля носители тока движутся по кратчайшему пути, однако в присутствии магнитного поля траектория их движения искривляется, что увеличивает длину пути и, как следствие, сопротивление материала.
Магнитосопротивление лежит в основе работы магниторезисторов и магнитодиодов, а также ряда магниторезистивных датчиков.
Магниторезисторы — это резисторы с переменным сопротивлением, величина которого зависит от интенсивности магнитного поля, приложенного к материалу (рис. 5). Конструкция магниторезистора включает в себя полупроводниковую пластину, на поверхности которой размещены металлические полосы. Каждый участок между соседними металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Металлические полосы служат шунтами, уменьшающими ЭДС Холла, которая возникает на боковых гранях пластины. Основные полупроводниковые материалы для изготовления магниторезисторов — это антимонид индия (InSb) и арсенид индия (InAs), которые обладают высокой подвижностью носителей заряда.
Рис. 5. Конструкция магниторезистора
Магнитодиоды — это диоды, в которых база имеет большую толщину, а сопротивление этой базы увеличивается в поперечном магнитном поле. Это связано с уменьшением подвижности как основных, так и неосновных носителей заряда, что аналогично тому, как это происходит в магниторезисторе (рис. 6). Увеличение сопротивления также может быть вызвано уменьшением времени жизни неосновных носителей, поскольку искривление их траектории может привести к их достижению поверхности базы, где возможна рекомбинация. Обычно для изготовления магнитодиодов применяют полупроводниковые материалы, такие как германий или кремний, которые характеризуются высокой подвижностью носителей заряда.
Рис. 6. Конструкция магнитодиода
Магниторезистивные датчики представляют собой специальные резисторы, которые изготовлены из тонкой пермаллоевой пленки, нанесенной на кремниевую основу. При производстве этих датчиков пленка помещается в сильное магнитное поле, что позволяет ориентировать магнитные области в одном направлении, тем самым фиксируя направление намагничивания. Когда такой датчик попадает в внешнее магнитное поле, перпендикулярное пленке, вектор намагничивания изменяет угол, что приводит к изменению сопротивления пленки.
Магниторезистивные датчики нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Например, в автомобильной промышленности они используются для измерения частоты вращения (например, в антиблокировочных системах, коробках передач и системах управления двигателем) и угловой координаты (например, для регулировки фар и сидений, а также в рулевом управлении). Кроме того, они перспективно используются в системах промышленной автоматизации, таких как робототехнические устройства, а также в системах навигации, где позволяют определять положение объектов относительно магнитного поля Земли.
Интересные факты:
-
Эффект Холла был использован для создания одного из самых популярных методов измерения магнитных полей, а также для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках. Используя этот эффект, можно не только исследовать свойства материалов, но и применять его для создания высокоточных сенсоров, которые работают даже в самых экстремальных условиях.
-
Эффект магнитосопротивления был использован в создании современных жестких дисков и магнитных сенсоров. Интересно, что в последние десятилетия было открыто новое явление, называемое гигантским магниторезистивным эффектом (GMR), которое оказалось невероятно полезным в области хранения данных. Этот эффект значительно улучшает характеристики жестких дисков и других устройств хранения, повышая их плотность записи.
-
Одним из самых интересных применений магниторезистивных датчиков является их использование в автомобилях. Например, датчики Холла используются в системах антиблокировки тормозов (ABS), для измерения угловой скорости колес и контроля их вращения. Эти датчики позволяют значительно улучшить безопасность и эффективность работы тормозных систем.
-
Применение датчиков Холла и магниторезисторов в медицине открывает новые возможности для диагностики и мониторинга. Например, такие датчики могут использоваться для разработки инновационных методов исследования магнитных полей, что важно для работы с биологическими тканями и молекулами, чьи структуры чувствительны к магнитным воздействиям.
Заключение
Гальваномагнитные эффекты, включая эффект Холла и магнитосопротивление, играют ключевую роль в современном мире технологий и науки. Эти явления стали основой для создания ряда высокоточных приборов и датчиков, которые находят применение в самых различных областях — от медицины и робототехники до автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Открытия в этой области открывают новые перспективы для создания более совершенных технологий, которые способны значительно улучшить качество жизни и эффективность множества процессов в различных сферах человеческой деятельности. Поэтому дальнейшее изучение и развитие материалов с гальваномагнитными эффектами имеет не только научную ценность, но и практическое значение для будущих инновационных технологий.
