Effet Hall adiabatique négatif et positif

Dans un fil conducteur de courant placé dans un champ magnétique, une tension est induite dans une direction perpendiculaire aux directions du courant électrique et du champ magnétique. Le phénomène d'apparition d'une telle tension est appelé effet Hall, et la tension induite elle-même est appelée tension Hall.

En 1879, le physicien américain Edwin Hall (1855-1938), alors qu'il travaillait sur sa thèse, découvrit un effet intéressant. Il prit une fine plaque d'or transportant un courant continu et la plaça dans un champ magnétique perpendiculaire au plan de la plaque. Dans ce cas, un champ électrique supplémentaire est apparu entre les bords de la plaque. Plus tard, ce phénomène a été nommé d'après le découvreur. L'effet Hall a trouvé une large application : il est utilisé pour mesurer l'induction d'un champ magnétique (capteurs Hall), ainsi que pour étudier les propriétés physiques des matériaux conducteurs (grâce à l'effet Hall, on peut calculer la concentration des porteurs de courant et leur signe).

Module de capteur à effet de courant Hall ACS712 5A

Il existe deux types de porteurs de courant électrique : les porteurs positifs se déplaçant dans un sens et les porteurs négatifs se déplaçant dans le sens opposé.

Les porteurs négatifs se déplaçant dans une certaine direction à travers un champ magnétique subissent une force qui tend à détourner leur mouvement d'une trajectoire rectiligne. Les porteurs positifs voyageant dans la direction opposée à travers le même champ magnétique sont déviés dans la même direction que les porteurs négatifs.

À la suite d'une telle déviation de tous les porteurs de courant sous l'influence des forces de Lorentz du même côté du conducteur, un gradient de population de porteurs est établi et, d'un côté du conducteur, le nombre de porteurs par unité de volume sera supérieur à de l'autre.

La figure ci-dessous illustre le résultat global de ce processus lorsqu'il y a un nombre égal de porteurs de deux types.

Ici, les gradients de potentiel générés par des porteurs de deux types sont dirigés l'un contre l'autre, de sorte que leur influence ne peut pas être détectée lorsqu'elle est observée de l'extérieur. Si les porteurs d'un type sont plus nombreux que les porteurs d'un autre type, alors le gradient de population de porteurs génère un potentiel de gradient Hall, à la suite duquel la tension Hall appliquée au fil peut être détectée.

Effet Hall négatif adiabatique. Si seuls les électrons sont porteurs de charge, alors le gradient de température et le gradient de potentiel électrique pointent dans des directions opposées.

Effet Hall adiabatique. Si seuls les trous sont porteurs de charge, alors le gradient de température et le gradient de potentiel électrique pointent dans la même direction

Si le courant à travers le fil sous l'influence de la tension de Hall est impossible, alors entre par les forces de Lorentz et à travers le Hall, l'équilibre de tension est établi.

Dans ce cas, les forces de Lorentz tendent à créer un gradient de population de porteurs le long du fil, tandis que la tension de Hall tend à rétablir une répartition uniforme de la population dans tout le volume du fil.

L'intensité (tension par unité d'épaisseur) du champ électrique de Hall dirigé perpendiculairement aux directions du courant et du champ magnétique est déterminée par la formule suivante :

Fz = KzVJ,

où K.z — Coefficient de Hall (son signe et sa valeur absolue peuvent varier considérablement en fonction des conditions spécifiques) ; B - induction magnétique et J est la densité du courant circulant dans le conducteur (la valeur du courant par unité de section transversale du conducteur).

La figure montre une feuille de matériau qui conduit un fort courant i lorsque ses extrémités sont connectées à une batterie. Si nous mesurons la différence de potentiel entre les côtés opposés, cela nous donnera zéro, comme le montre la figure de gauche. La situation change lorsque le champ magnétique B est appliqué perpendiculairement au courant dans la feuille, nous verrons qu'une très faible différence de potentiel V3 apparaît entre les côtés opposés comme le montre la figure de droite.

Le terme «adiabatique» est utilisé pour décrire des conditions où il n'y a pas de flux de chaleur de l'extérieur vers ou depuis le système considéré.

Il y a des couches de matériau isolant des deux côtés du fil pour empêcher le flux de chaleur et de courant dans le sens transversal.

Étant donné que la tension de Hall dépend de la répartition inégale des porteurs, elle ne peut être maintenue à l'intérieur du corps que si l'énergie est fournie par une source extérieure au corps.Cette énergie provient d'un champ électrique qui crée un courant initial dans la substance. Deux gradients de potentiel s'établissent dans une substance galvanomagnétique.

Le gradient de potentiel initial est défini comme la densité de courant initiale multipliée par la résistance de la substance, et le gradient de potentiel de Hall est défini comme la densité de courant initiale multipliée par le coefficient de Hall.

Puisque ces deux gradients sont mutuellement perpendiculaires, nous pouvons considérer leur somme vectorielle, dont la direction sera déviée d'un certain angle par rapport à la direction du courant d'origine.

Cet angle, dont la valeur est déterminée par le rapport des forces du champ électrique orienté dans le sens du courant et du champ électrique généré dans le sens du courant, est appelé angle de Hall. Il peut être positif ou négatif par rapport au sens du courant, selon les porteuses dominantes, positives ou négatives.

Capteur de proximité à effet Hall

L'effet Hall est basé sur le mécanisme d'influence d'un support à salinité prédominante, qui dépend des propriétés physiques générales de la substance conductrice. Pour les métaux et les semi-conducteurs de type n, les électrons sont des porteurs, pour les semi-conducteurs de type p - des trous.

Les charges porteuses de courant sont déviées du même côté du fil que les électrons. Si les trous et les électrons ont la même concentration, ils génèrent deux tensions de Hall opposées. Si leurs concentrations sont différentes, alors l'une de ces deux tensions de Hall prédomine et peut être mesurée.

Pour les porteurs positifs, la tension de Hall requise pour contrecarrer les déviations des porteurs sous l'influence des forces de Lorentz est opposée à la tension correspondante pour les porteurs négatifs. Dans les métaux et les semi-conducteurs de type n, cette tension peut même changer de signe lorsque le champ externe ou la température change.

Un capteur Hall est un appareil électronique conçu pour détecter l'effet Hall et convertir ses résultats en données. Ces données peuvent être utilisées pour allumer et éteindre des circuits, peuvent être traitées par un ordinateur et peuvent provoquer divers effets fournis par le fabricant de l'appareil et le logiciel.

En pratique, les capteurs à effet Hall sont des microcircuits simples et peu coûteux qui utilisent des champs magnétiques pour détecter des variables telles que l'approche, la vitesse ou le déplacement d'un système mécanique.

Les capteurs Hall sont sans contact, ce qui signifie qu'ils n'ont pas besoin d'entrer en contact avec des éléments physiques.Ils peuvent générer un signal numérique ou analogique, selon leur conception et leur destination.

Les capteurs à effet Hall peuvent être trouvés dans les téléphones portables, les appareils GPS, les boussoles, les disques durs, les moteurs sans balais, les chaînes de montage d'usine, les automobiles, les appareils médicaux et de nombreux gadgets Internet des objets.

Application à effet Hall : Capteurs à effet Hall et Mesure de grandeurs magnétiques