Cosa è un trasduttore ad effetto Hall?

Elemento dell'effetto Hall: definizione e principio

Definizione

Un elemento dell'effetto Hall è un tipo specializzato di trasduttore progettato per misurare i campi magnetici. Poiché la misurazione diretta di un campo magnetico non è semplice, il trasduttore dell'effetto Hall serve come strumento prezioso. Funziona convertendo il campo magnetico in una forza elettromotrice (fem), una grandezza elettrica che può essere facilmente misurata con strumenti analogici e digitali. Questa conversione consente la quantificazione e l'analisi della forza e delle caratteristiche del campo magnetico in varie applicazioni.

Principio del trasduttore dell'effetto Hall

Il principio sottostante del trasduttore dell'effetto Hall si basa su un affascinante fenomeno fisico. Quando una striscia di conduttore portatrice di corrente è posta all'interno di un campo magnetico trasversale, viene indotta una forza elettromotrice (FEM) tra gli orli del conduttore. L'entità della tensione generata è direttamente proporzionale alla densità del flusso magnetico che passa attraverso il conduttore. Questa proprietà unica dei conduttori, in cui la presenza di un campo magnetico e di una corrente elettrica interagiscono per produrre una tensione misurabile, è nota come effetto Hall.

Sia i metalli che i semiconduttori esibiscono l'effetto Hall, con la forza e il comportamento di questo effetto che dipendono dalla densità e dalla mobilità dei loro elettroni. Per comprendere meglio questo principio, consideriamo l'elemento dell'effetto Hall raffigurato nella figura sottostante. In questa configurazione, una corrente elettrica viene fornita attraverso i terminali 1 e 2, mentre la tensione di uscita viene misurata tra i terminali 3 e 4. Quando non viene applicato alcun campo magnetico alla striscia del conduttore, i terminali 3 e 4 sono allo stesso potenziale elettrico.

Quando un campo magnetico viene applicato alla striscia, viene generata una tensione di uscita tra i terminali di uscita 3 e 4. Questa tensione indotta è direttamente proporzionale alla forza del campo magnetico. Matematicamente, la relazione può essere descritta dalla seguente formula per la tensione di uscita VH:

Dove I è la corrente in ampere e B è la densità di flusso in Wb/m2

Trasduttore dell'effetto Hall: capacità di misurazione e applicazioni

Capacità di misurazione

Sia la corrente che scorre nel conduttore sia la forza del campo magnetico possono essere determinate analizzando le tensioni di uscita di un trasduttore dell'effetto Hall. Tuttavia, nei conduttori, la forza elettromotrice (FEM) generata dall'effetto Hall è generalmente molto piccola, ponendo una sfida per la misurazione accurata. Al contrario, i semiconduttori come il germanio producono una FEM relativamente maggiore. Questo segnale più grande può essere facilmente misurato utilizzando strumenti a spira mobile, rendendo i semiconduttori più pratici per molte applicazioni di misurazione basate sull'effetto Hall.

Applicazioni dei trasduttori dell'effetto Hall

Il trasduttore dell'effetto Hall trova un ampio utilizzo in vari campi grazie alla sua capacità unica di convertire fenomeni magnetici in segnali elettrici. Alcune delle sue principali applicazioni sono le seguenti:

1. Trasduzione da magnetico a elettrico

Una delle applicazioni principali dell'elemento dell'effetto Hall è quella di convertire il flusso magnetico in un segnale elettrico. Per misurare i campi magnetici, un materiale semiconduttore viene posizionato all'interno del campo magnetico di interesse. Di conseguenza, si sviluppa una tensione tra le estremità delle strisce semiconduttrici. Questa tensione è direttamente proporzionale alla densità del campo magnetico, consentendo la quantificazione della forza del campo magnetico.

I trasduttori dell'effetto Hall offrono diversi vantaggi. Richiedono uno spazio minimo, rendendoli adatti per progetti compatti. Inoltre, forniscono un segnale elettrico continuo che riflette accuratamente la forza del campo magnetico. Tuttavia, hanno anche una limitazione notevole: la sensibilità elevata alle variazioni di temperatura. Questa sensibilità significa che la calibrazione è spesso necessaria per ogni scenario di misurazione individuale per garantire risultati accurati e affidabili.

2. Misura dello spostamento

Gli elementi dell'effetto Hall vengono anche impiegati per misurare lo spostamento di componenti strutturali. Ad esempio, considera una struttura ferromagnetica integrata con un magnete permanente.

Nelle applicazioni di misura dello spostamento, un trasduttore dell'effetto Hall è posizionato tra i poli di un magnete permanente. Man mano che la posizione di un componente ferromagnetico all'interno di questa configurazione del campo magnetico cambia, modifica la forza del campo magnetico sperimentata dall'elemento dell'effetto Hall. Questo cambiamento nella forza del campo magnetico viene quindi tradotto in un corrispondente cambiamento nella tensione di uscita del trasduttore, consentendo la misura precisa dello spostamento della struttura ferromagnetica. Questo metodo non invasivo fornisce un modo affidabile per monitorare il movimento di parti meccaniche in vari sistemi, come macchinari industriali o braccia robotiche.

3. Misura della corrente

Il trasduttore dell'effetto Hall offre un metodo altamente conveniente e sicuro per misurare la corrente elettrica, poiché consente la misurazione della corrente senza la necessità di alcuna connessione fisica diretta tra il circuito del conduttore e lo strumento di misura. Che si tratti di corrente alternata (CA) o corrente continua (CC), quando viene applicata a un conduttore, genera un campo magnetico intorno al conduttore. La forza di questo campo magnetico è direttamente proporzionale alla grandezza della corrente applicata. Questo campo magnetico, a sua volta, induce una forza elettromotrice (FEM) tra le strisce del trasduttore dell'effetto Hall. L'entità di questa FEM indotta dipende dalla forza del campo magnetico, che è correlata alla corrente che scorre attraverso il conduttore. Misurando questa FEM indotta, il valore della corrente può essere determinato con precisione, rendendo i trasduttori dell'effetto Hall ideali per la rilevazione della corrente in una vasta gamma di sistemi elettrici, dai reticoli di distribuzione di energia agli apparecchi elettronici.

4. Misura della potenza

I trasduttori dell'effetto Hall sono anche utilizzati per misurare la potenza di un conduttore elettrico. Quando una corrente viene fatta passare attraverso il conduttore, genera un campo magnetico, con l'intensità del campo direttamente correlata alla grandezza della corrente. Questo campo magnetico poi induce una tensione tra le strisce del trasduttore dell'effetto Hall. Utilizzando un circuito moltiplicatore in combinazione con il trasduttore, la tensione di uscita del moltiplicatore può essere resa proporzionale alla potenza dissipata nel conduttore. Questo approccio consente la misurazione efficiente e accurata della potenza elettrica in varie applicazioni, inclusi i sistemi di potenza elettrica, dove il monitoraggio del consumo e del flusso di energia è cruciale per la gestione dell'energia e l'ottimizzazione del sistema.