ما هو مستشعر تأثير هول؟

عنصر تأثير هول: التعريف والمبادئ

التعريف

يعتبر عنصر تأثير هول نوعًا خاصًا من المحولات مصمم لقياس المجالات المغناطيسية. بما أن قياس المجال المغناطيسي مباشرة ليس أمرًا سهلًا، فإن محول تأثير هول يمثل أداة قيمة. يعمل هذا المحول بتحويل المجال المغناطيسي إلى قوة كهربائية دافعة (emf)، وهي كمية كهربائية يمكن قياسها بشكل مريح باستخدام الأجهزة التناظرية والإلكترونية الرقمية. يسمح هذا التحويل بتقدير وتحليل قوة وخواص المجال المغناطيسي في العديد من التطبيقات.

مبادئ محول تأثير هول

تعتمد المبادئ الأساسية لمحول تأثير هول على ظاهرة فيزيائية مثيرة للاهتمام. عندما يتم وضع شريط موصل يحمل تيارًا داخل مجال مغناطيسي عرضي، يتم إحداث قوة كهربائية دافعة (EMF) عبر حواف الموصل. تكون قيمة الجهد الكهربائي المولد متناسبة بشكل مباشر مع كثافة تدفق المجال المغناطيسي الذي يمر عبر الموصل. هذه الخاصية الفريدة للموصلات، حيث تتفاعل حضور المجال المغناطيسي والتيار الكهربائي لإنتاج جهد قابل للقياس، تُعرف باسم تأثير هول.

تشير كل من المعادن والموصلات شبه الموصلة إلى تأثير هول، مع اعتماد قوة وتصرف هذا التأثير على كثافة وتنقل الإلكترونات فيها. لفهم هذا المبدأ بشكل أفضل، ضع في اعتبارك عنصر تأثير هول الموضح في الشكل أدناه. في هذا الإعداد، يتم تزويده بالتيار الكهربائي عبر الأسلاك 1 و2، بينما يتم قياس الجهد الكهربائي الناتج عبر الأسلاك 3 و4. عند عدم تطبيق المجال المغناطيسي على شريط الموصل، تكون الأسلاك 3 و4 في نفس القدرة الكهربائية.

عند تطبيق المجال المغناطيسي على الشريط، يتم إنتاج جهد كهربائي عبر الأسلاك الناتجة 3 و4. يكون هذا الجهد الكهربائي المولد متناسبًا بشكل مباشر مع قوة المجال المغناطيسي. رياضيًا، يمكن وصف العلاقة بين الجهد الناتج VH بالمعادلة التالية:

حيث I هو التيار بالأمبير و B هي كثافة التدفق بوبر/م²

محول تأثير هول: قدرات القياس والتطبيقات

قدرات القياس

يمكن تحديد كل من التيار المتدفق عبر الموصل وقوة المجال المغناطيسي من خلال تحليل الجهود الناتجة لمحول تأثير هول. ومع ذلك، في الموصلات، تكون القوة الكهربائية الدافعة (EMF) التي يولدها تأثير هول عادةً صغيرة جدًا، مما يشكل تحديًا لقياس دقيق. من ناحية أخرى، تنتج موصلات شبه الموصلات مثل الجرمانيوم قوة كهربائية دافعة أكبر نسبيًا. يمكن قياس هذا الإشارة الأكبر بسهولة باستخدام الأجهزة ذات اللوحة المتحركة، مما يجعل موصلات شبه الموصلات أكثر عملية للكثير من تطبيقات القياس المستندة إلى تأثير هول.

تطبيقات محول تأثير هول

يستخدم محول تأثير هول على نطاق واسع في مجالات مختلفة بسبب قدرته الفريدة على تحويل الظواهر المغناطيسية إلى إشارات كهربائية. بعض التطبيقات الرئيسية له تشمل ما يلي:

1. التحويل من المغناطيسي إلى الكهربائي

من التطبيقات الأساسية لعنصر تأثير هول تحويل التدفق المغناطيسي إلى إشارة كهربائية. لقياس المجالات المغناطيسية، يتم وضع مادة شبه موصلة داخل المجال المغناطيسي المعني. نتيجة لذلك، يتطور جهد عبر طرفي شرائح شبه الموصل. يكون هذا الجهد متناسبًا بشكل مباشر مع كثافة المجال المغناطيسي، مما يسمح بكمية قوة المجال المغناطيسي.

توفر محولات تأثير هول العديد من المزايا. فهي تتطلب مساحة محدودة، مما يجعلها مناسبة للتصميمات المدمجة. بالإضافة إلى ذلك، توفر إشارة كهربائية مستمرة تعكس بدقة قوة المجال المغناطيسي. ومع ذلك، لها أيضًا قيد بارز: الحساسية العالية للتغيرات في درجة الحرارة. وهذا يعني أنه غالباً ما يكون ضروريًا إجراء معايرة لكل سيناريو قياس فردي لضمان النتائج الدقيقة والموثوقة.

2. قياس الإزاحة

يتم استخدام عناصر تأثير هول أيضًا لقياس إزاحة المكونات الهيكلية. على سبيل المثال، يعتبر تركيب هيكلي مغناطيسي متكامل مع مغناطيس دائم.

في تطبيقات قياس الإزاحة، يتم وضع محول تأثير هول بين قطبي مغناطيس دائم. عند تغيير موقع مكون مغناطيسي ضمن هذا الإعداد المغناطيسي، فإنه يغير قوة المجال المغناطيسي التي يتعرض لها عنصر تأثير هول. يتم بعد ذلك ترجمة هذا التغيير في قوة المجال المغناطيسي إلى تغيير متناسب في الجهد الناتج للمحول، مما يسمح بقياس دقيق لإزاحة الهيكل المغناطيسي. توفر هذه الطريقة غير الغازية طريقة موثوقة لمراقبة حركة الأجزاء الميكانيكية في أنظمة مختلفة، مثل الآلات الصناعية أو الذراعين الروبوتيتين.

3. قياس التيار

يوفر محول تأثير هول طريقة مريحة وآمنة للغاية لقياس التيار الكهربائي، حيث يمكنه قياس التيار دون الحاجة لأي اتصال مادي مباشر بين دائرة الموصل وجهاز القياس. سواء كان التيار متناوبًا (AC) أو مستمرًا (DC)، عندما يتم تطبيقه على الموصل، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا حول الموصل. تكون قوة هذا المجال المغناطيسي متناسبة بشكل مباشر مع حجم التيار المطبق. ينتج هذا المجال المغناطيسي بدوره قوة كهربائية دافعة (emf) عبر شرائح محول تأثير هول. تعتمد قيمة هذه القوة الكهربائية الدافعة على قوة المجال المغناطيسي، والتي تتعلق بالتيار المتدفق عبر الموصل. من خلال قياس هذه القوة الكهربائية الدافعة، يمكن تحديد قيمة التيار بدقة، مما يجعل محولات تأثير هول مثالية لاستشعار التيار في مجموعة واسعة من الأنظمة الكهربائية، من شبكات توزيع الطاقة إلى الأجهزة الإلكترونية.

4. قياس الطاقة

يُستخدم محول تأثير هول أيضًا لقياس طاقة الموصل الكهربائي. عندما يمر تيار عبر الموصل، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا، ويكون شدة هذا المجال متناسبة بشكل مباشر مع حجم التيار. يؤدي هذا المجال المغناطيسي إلى إنتاج جهد كهربائي عبر شرائح محول تأثير هول. من خلال استخدام دارة مضاعفة مع المحول، يمكن جعل الجهد الكهربائي الناتج من الدارة المضاعفة متناسبًا مع الطاقة المنبعثة في الموصل. يسمح هذا النهج بقياس كفاءة ودقة الطاقة الكهربائية في العديد من التطبيقات، بما في ذلك أنظمة الطاقة الكهربائية، حيث يعد مراقبة استهلاك الطاقة وتدفقها أمرًا حاسمًا لإدارة الطاقة وأتمتة النظام.