چه چیزی هال افکت ترانسدیوسر است

عنصري هال: تعريف ومبدأ

تعريف

يعتبر عنصر تأثير هال نوعًا خاصًا من المتحولات المصممة لقياس المجالات المغناطيسية. بما أن قياس المجال المغناطيسي بشكل مباشر ليس سهلًا، فإن متحول تأثير هال يشكل أداة قيمة. يعمل هذا المتحول من خلال تحويل المجال المغناطيسي إلى قوة كهربائية دافعة (emf)، وهي كمية كهربائية يمكن قياسها بسهولة باستخدام الأمتار التناظرية والرقمية. يسمح هذا التحويل بتحديد وتحليل قوة وخصائص المجال المغناطيسي في تطبيقات مختلفة.

مبدأ متحول تأثير هال

يقوم مبدأ متحول تأثير هال على ظاهرة فيزيائية مثيرة للاهتمام. عند وضع شريط موصل يحمل تيارًا داخل مجال مغناطيسي عرضي، يتم إحداث قوة كهربائية دافعة (EMF) عبر حواف الموصل. تكون قيمة الجهد المتولد مباشرةً نسبية لكثافة تدفق المجال المغناطيسي الذي يمر عبر الموصل. هذه الخاصية الفريدة للموصلات، حيث تتداخل وجود المجال المغناطيسي والتيار الكهربائي لإنتاج جهد قابل للقياس، تُعرف بتأثير هال.

تعبر كل من المعادن والأشباه الموصلات عن تأثير هال، مع اعتماد قوة وسلوك هذا التأثير على كثافة وتنقل الإلكترونات فيها. لفهم هذا المبدأ بشكل أفضل، فلننظر في عنصر تأثير هال الموضح في الشكل أدناه. في هذا الإعداد، يتم تزويد التيار الكهربائي عبر الأقطاب 1 و2، بينما يتم قياس الجهد الخارج عبر الأقطاب 3 و4. عندما لا يوجد مجال مغناطيسي مطبق على شريط الموصل، تكون الأقطاب 3 و4 في نفس القدرة الكهربائية.

عند تطبيق مجال مغناطيسي على الشريط، يتم إنتاج جهد خارج عبر الأقطاب 3 و4. يكون هذا الجهد الناتج نسبيًا بشكل مباشر لقوة المجال المغناطيسي. رياضيًا، يمكن وصف العلاقة بين الجهد الخارج VH بالمعادلة التالية:

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

متحول تأثير هال: قدرات القياس والتطبيقات

قدرات القياس

يمكن تحديد كل من التيار المتدفق عبر الموصل وقوة المجال المغناطيسي من خلال تحليل الجود الخارج لمتحول تأثير هال. ومع ذلك، في الموصلات، تكون القوة الكهربائية الدافعة (EMF) التي يولدها تأثير هال صغيرة جدًا، مما يشكل تحديًا للقياس الدقيق. في المقابل، تنتج الأشباه الموصلات مثل الجرمانيوم EMF أكبر. يمكن قياس هذا الإشارة الأكبر بسهولة باستخدام الأجهزة ذات الملف المتحرك، مما يجعل الأشباه الموصلات أكثر عملية للكثير من التطبيقات المستندة إلى تأثير هال.

تطبيقات متحولات تأثير هال

يستخدم متحول تأثير هال على نطاق واسع في مجالات مختلفة بسبب قدرته الفريدة على تحويل الظواهر المغناطيسية إلى إشارات كهربائية. بعض تطبيقاته الرئيسية هي كما يلي:

1. التحويل من المغناطيسي إلى الكهربائي

من التطبيقات الأساسية لعنصر تأثير هال تحويل تدفق المجال المغناطيسي إلى إشارة كهربائية. لقياس المجالات المغناطيسية، يتم وضع مادة شبه موصلة داخل المجال المغناطيسي المراد قياسه. نتيجة لذلك، يتطور جهد عبر طرفي شريط المادة شبه الموصلة. يكون هذا الجهد نسبيًا بشكل مباشر لكثافة المجال المغناطيسي، مما يسمح بتحديد قوة المجال المغناطيسي.

تقدم متحولات تأثير هال العديد من المزايا. فهي تتطلب مساحة ضئيلة، مما يجعلها مناسبة للتصميمات الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، توفر إشارة كهربائية مستمرة تعكس بدقة قوة المجال المغناطيسي. ومع ذلك، لديها أيضًا قيد بارز: الحساسية العالية للتغيرات في درجة الحرارة. تعني هذه الحساسية أنه غالبًا ما يكون التقويم ضروريًا لكل سيناريو قياس فردي للتأكد من النتائج الدقيقة والموثوقة.

2. قياس الإزاحة

يتم استخدام عناصر تأثير هال أيضًا لقياس الإزاحة للأجزاء الهيكلية. على سبيل المثال، النظر في بنية مغناطيسية متكاملة مع مغناطيس دائم.

في تطبيقات قياس الإزاحة، يتم وضع متحول تأثير هال بين قطبي مغناطيس دائم. عندما يتغير موقع جزء مغناطيسي ضمن هذا الإعداد للمجال المغناطيسي، فإنه يغير قوة المجال المغناطيسي التي يواجهها عنصر تأثير هال. يتم بعد ذلك ترجمة هذا التغيير في قوة المجال المغناطيسي إلى تغيير متوافق في الجهد الخارج للمتحول، مما يسمح بقياس دقيق لإزاحة البنية المغناطيسية. توفر هذه الطريقة غير الغازية طريقة موثوقة لمراقبة حركة الأجزاء الميكانيكية في أنظمة مختلفة، مثل الآلات الصناعية أو الذراعين الروبوتية.

3. قياس التيار

يقدم متحول تأثير هال طريقة مريحة وآمنة للغاية لقياس التيار الكهربائي، حيث يسمح بقياس التيار دون الحاجة لأي اتصال فيزيائي مباشر بين دائرة الموصل وجهاز القياس. سواء كان التيار متناوبًا (AC) أو مستقيمًا (DC)، عندما يتم تطبيقه على الموصل، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا حول الموصل. تكون قوة هذا المجال المغناطيسي نسبيًا بشكل مباشر لحجم التيار المطبق. ينتج هذا المجال المغناطيسي بدوره قوة كهربائية دافعة (emf) عبر شرائح متحول تأثير هال. تعتمد قيمة هذا الجهد الناتج على قوة المجال المغناطيسي، والتي ترتبط بالتيار المتدفق عبر الموصل. من خلال قياس هذا الجهد الناتج، يمكن تحديد قيمة التيار بدقة، مما يجعل متحولات تأثير هال مثالية لاستشعار التيار في مجموعة واسعة من الأنظمة الكهربائية، من شبكات توزيع الطاقة إلى الأجهزة الإلكترونية.

4. قياس الطاقة

يتم أيضًا استخدام متحولات تأثير هال لقياس طاقة الموصل الكهربائي. عندما يمر تيار عبر الموصل، فإنه يولد مجالًا مغناطيسيًا، مع ارتباط شدة هذا المجال بشكل مباشر بحجم التيار. ينتج هذا المجال المغناطيسي بدوره جهدًا عبر شرائح متحول تأثير هال. باستخدام دائرة مضاعفة مع المتحول، يمكن جعل الجهد الخارج للمضاعف نسبيًا بشكل مباشر للطاقة المنبعثة في الموصل. تسمح هذه الطريقة بقياس كفاءة ودقة الطاقة الكهربائية في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك أنظمة الطاقة الكهربائية، حيث يعد مراقبة استهلاك الطاقة وتوزيعها أمرًا حاسمًا لإدارة الطاقة وتحسين النظام.