Effet Hall - Hall effect

Articles sur
Électromagnétisme
Électricité Magnétisme Histoire Manuels
Électrostatique Charge électrique La loi de coulomb Conducteur Densité de charge Permittivité Moment dipolaire électrique Champ électrique Potentiel électrique Flux électrique  / énergie potentielle Décharge électrostatique La loi de Gauss Induction Isolant Densité de polarisation Électricité statique Triboélectricité
Magnétostatique La loi d'Ampère Loi Biot-Savart La loi de Gauss pour le magnétisme Champ magnétique Flux magnétique Moment dipolaire magnétique Perméabilité magnétique Potentiel scalaire magnétique Magnétisation Force magnétomotrice Potentiel de vecteur magnétique Règle de la main droite
Électrodynamique Loi de force de Lorentz Induction électromagnétique La loi de Faraday La loi de Lenz Courant de déplacement les équations de Maxwell Champ électromagnétique Pulsation éléctromagnétique Un rayonnement électromagnétique Tenseur de Maxwell vecteur de pointage Potentiel Liénard–Wiechert Les équations de Jefimenko Courant de Foucault Équations de Londres Descriptions mathématiques du champ électromagnétique
Réseau électrique Courant alternatif Capacitance Courant continu Courant électrique Électrolyse La densité actuelle Chauffage Joule Force électromotrice Impédance Inductance La loi d'Ohm Circuit parallèle La résistance Cavités résonantes Circuit en série Tension Guides d'ondes
Formulation covariante Tenseur électromagnétique ( tenseur énergie-contrainte ) Quatre courants Quatre potentiels électromagnétiques
Scientifiques Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henri Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Chanteur Tesla Volta Weber Poisson
v t e

Effet Hall :
Dans le schéma A le conducteur plat possède une charge négative en haut (symbolisée par la couleur bleue) et une charge positive en bas (couleur rouge). Dans les croquis B et C, la direction des champs électriques et magnétiques est modifiée respectivement, ce qui inverse la polarité des charges. Dans le diagramme D, les deux champs changent de direction simultanément, ce qui donne la même polarité que dans le schéma A .
  1   électrons
  2   conducteur plat, qui sert d'élément à effet Hall ( capteur à effet Hall )
  3   aimant
  4   champ magnétique
  5   source d'alimentation

L' effet Hall est la production d'une différence de tension (la tension Hall ) à travers un conducteur électrique qui est transversale à un courant électrique dans le conducteur et à un champ magnétique appliqué perpendiculaire au courant. Il a été découvert par Edwin Hall en 1879.

Un effet Hall peut également se produire à travers un vide ou un trou dans un semi-conducteur ou une plaque métallique, lorsque le courant est injecté via des contacts situés sur la limite ou le bord du vide ou du trou, et que la charge s'écoule à l'extérieur du vide ou du trou, dans le métal ou semi-conducteur. Cet effet Hall devient observable dans un champ magnétique appliqué perpendiculairement à travers des contacts de tension qui se trouvent à la limite du vide de chaque côté d'une ligne reliant les contacts de courant, il présente une inversion de signe apparente par rapport à l'effet Hall ordinaire standard dans le simple spécimen, et cet effet Hall ne dépend que du courant injecté depuis l'intérieur du vide.

La superposition peut également être réalisée dans l'effet Hall : imaginez la configuration Hall standard, une plaque Hall homogène rectangulaire mince simplement connectée (sans vide) avec des contacts de courant et de tension sur la frontière (externe) qui développe une tension Hall dans un champ magnétique perpendiculaire . Maintenant, imaginez placer un vide ou un trou rectangulaire dans cette configuration Hall standard, avec des contacts de courant et de tension, comme mentionné ci-dessus, sur la limite intérieure ou le bord du vide. Pour plus de simplicité, les contacts de courant sur la limite du vide peuvent être alignés avec les contacts de courant sur la limite extérieure dans la configuration Hall standard. Dans une telle configuration, deux effets Hall peuvent être réalisés et observés simultanément dans le même dispositif doublement connecté : un effet Hall sur la frontière externe qui est proportionnel au courant injecté uniquement via la frontière externe, et un effet Hall apparemment inversé de signe sur le frontière intérieure qui est proportionnelle au courant injecté uniquement via la frontière intérieure. La superposition de plusieurs effets Hall peut être réalisée en plaçant plusieurs vides dans l'élément Hall, avec des contacts de courant et de tension sur la limite de chaque vide. Brevet DE 4308375 

Le coefficient de Hall est défini comme le rapport du champ électrique induit au produit de la densité de courant et du champ magnétique appliqué. C'est une caractéristique du matériau à partir duquel le conducteur est fabriqué, car sa valeur dépend du type, du nombre et des propriétés des porteurs de charge qui constituent le courant.

Pour plus de clarté, l'effet original est parfois appelé effet Hall ordinaire pour le distinguer des autres "effets Hall", qui peuvent avoir des mécanismes physiques supplémentaires, mais construits sur ces bases.

Découverte

La théorie moderne de l' électromagnétisme a été systématisée par James Clerk Maxwell dans l'article " On Physical Lines of Force ", qui a été publié en quatre parties entre 1861 et 1862. Alors que l'article de Maxwell a établi une base mathématique solide pour la théorie électromagnétique, les mécanismes détaillés de la théorie étaient encore à l'étude. L'une de ces questions concernait les détails de l'interaction entre les aimants et le courant électrique, notamment si les champs magnétiques interagissaient avec les conducteurs ou le courant électrique lui-même. En 1879, Edwin Hall explorait cette interaction et découvrit l'effet Hall alors qu'il travaillait sur son doctorat à l'Université Johns Hopkins à Baltimore , Maryland . Dix-huit ans avant la découverte de l' électron , ses mesures du minuscule effet produit dans l'appareil qu'il utilisait étaient un tour de force expérimental , publié sous le nom « Sur une nouvelle action de l'aimant sur les courants électriques ».

Théorie

L'effet Hall est dû à la nature du courant dans un conducteur. Le courant consiste en le mouvement de nombreux petits porteurs de charge , généralement des électrons , des trous , des ions (voir Electromigration ) ou les trois. Lorsqu'un champ magnétique est présent, ces charges subissent une force, appelée force de Lorentz . Lorsqu'un tel champ magnétique est absent, les charges suivent des chemins approximativement rectilignes en « ligne de visée » entre les collisions avec des impuretés, des phonons , etc. Cependant, lorsqu'un champ magnétique avec une composante perpendiculaire est appliqué, leurs chemins entre les collisions sont courbes, donc les charges mobiles s'accumulent sur une face du matériau. Cela laisse des charges égales et opposées exposées sur l'autre face, où il y a une rareté des charges mobiles. Le résultat est une distribution asymétrique de la densité de charge à travers l'élément Hall, résultant d'une force perpendiculaire à la fois au chemin de la « ligne de visée » et au champ magnétique appliqué. La séparation des charges établit un champ électrique qui s'oppose à la migration de charges supplémentaires, de sorte qu'un potentiel électrique stable est établi aussi longtemps que la charge circule.

Dans l'électromagnétisme classique, les électrons se déplacent dans le sens inverse du courant I (par convention, le "courant" décrit un "flux de trous" théorique). Dans certains métaux et semi-conducteurs, il semble que des "trous" s'écoulent en fait parce que la direction de la tension est opposée à la dérivation ci-dessous.

Installation de mesure à effet Hall pour les électrons. Initialement, les électrons suivent la flèche courbe, en raison de la force magnétique. À une certaine distance des contacts d'introduction de courant, les électrons s'accumulent du côté gauche et s'épuisent du côté droit, ce qui crée un champ électrique ξ _y dans la direction du V _H assigné . V _H est négatif pour certains semi-conducteurs où des « trous » semblent couler. En régime permanent, ξ _y sera suffisamment fort pour annuler exactement la force magnétique, ainsi les électrons suivent la flèche droite (en pointillés).

Lire les médias

Animation montrant le principe simplifié

Pour un métal simple où il n'y a qu'un seul type de porteur de charge (électrons), la tension de Hall V _H peut être dérivée en utilisant la force de Lorentz et en voyant que, en régime permanent, les charges ne se déplacent pas sur l' axe des y direction. Ainsi, la force magnétique sur chaque électron dans la direction de l'axe y est annulée par une force électrique de l'axe y en raison de l'accumulation de charges. Le terme v _x est la vitesse de dérive du courant qui est supposé à ce point être des trous par convention. Le terme v _x B _z est négatif dans la direction de l'axe y par la règle de la main droite.

${\displaystyle \mathbf {F} =q{\bigl (}\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} {\bigl )}}$

En régime permanent, F = 0 , donc 0 = E _y − v _x B _z , où E _y est affecté dans la direction de l' axe des y , (et non avec la flèche du champ électrique induit ξ _y comme sur l'image (pointant dans la direction − y ), qui vous indique où pointe le champ causé par les électrons).

Dans les fils, des électrons au lieu de trous circulent, donc v _x → − v _x et q → − q . Aussi E _y = − V _H/w. La substitution de ces changements donne

${\displaystyle V_{\mathrm {H} }=v_{x}B_{z}w}$

Le courant de "trou" conventionnel est dans le sens négatif du courant d'électrons et le négatif de la charge électrique qui donne I _x = ntw (− v _x )(− e ) où n est la densité de porteurs de charge , tw est la section transversale et − e est la charge de chaque électron. Résoudre et brancher ce qui précède donne la tension de Hall : ${\style d'affichage w}$

${\displaystyle V_{\mathrm {H} }={\frac {I_{x}B_{z}}{nte}}}$

Si l'accumulation de charge avait été positive (comme cela apparaît dans certains métaux et semi-conducteurs), alors le V _H attribué dans l'image aurait été négatif (une charge positive se serait accumulée sur le côté gauche).

Le coefficient de Hall est défini comme

${\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {E_{y}}{j_{x}B_{z}}}}$

ou

${\displaystyle \mathbf {E} =-R_{\mathrm {H} }(\mathbf {J} _{c}\times \mathbf {B} )}$

où j est la densité de courant des électrons porteurs, et E _y est le champ électrique induit. En unités SI, cela devient

${\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {E_{y}}{j_{x}B}}={\frac {V_{\mathrm {H} }t}{IB}}={ \frac {1}{ne}}.}$

(Les unités de R _H sont généralement exprimées en m ³ /C, ou ·cm/ G , ou d'autres variantes.) En conséquence, l'effet Hall est très utile comme moyen de mesurer la densité de porteurs ou le champ magnétique .

Une caractéristique très importante de l'effet Hall est qu'il fait la différence entre les charges positives se déplaçant dans une direction et les charges négatives se déplaçant dans l'autre sens. Dans le schéma ci-dessus, l'effet Hall avec un porteur de charge négatif (l'électron) est présenté. Mais considérons que le même champ magnétique et le même courant sont appliqués mais que le courant est transporté à l'intérieur du dispositif à effet Hall par une particule positive. La particule devrait bien sûr se déplacer dans la direction opposée de l'électron pour que le courant soit le même - vers le bas dans le diagramme, pas vers le haut comme l'électron. Et ainsi, mnémotechniquement parlant, votre pouce dans la loi de la force de Lorentz , représentant le courant (conventionnel), pointerait dans la même direction qu'auparavant, car le courant est le même - un électron qui monte est le même courant qu'une charge positive qui descend. Et avec les doigts (champ magnétique) étant également les mêmes, il est intéressant de noter que le porteur de charge est dévié vers la gauche dans le diagramme, qu'il soit positif ou négatif. Mais si les porteurs positifs sont déviés vers la gauche, ils créeraient une tension relativement positive sur la gauche alors que si les porteurs négatifs (à savoir les électrons) le sont, ils créeraient une tension négative sur la gauche, comme indiqué sur le schéma. Ainsi, pour un même courant et un même champ magnétique, la polarité de la tension de Hall dépend de la nature interne du conducteur et est utile pour élucider son fonctionnement interne.

Cette propriété de l'effet Hall a offert la première preuve réelle que les courants électriques dans la plupart des métaux sont transportés par des électrons en mouvement, et non par des protons. Il a également montré que dans certaines substances (en particulier les semi-conducteurs de type p ), il est au contraire plus approprié de considérer le courant comme des « trous » positifs se déplaçant plutôt que comme des électrons négatifs. Une source courante de confusion avec l'effet Hall dans de tels matériaux est que les trous se déplaçant dans un sens sont en réalité des électrons se déplaçant dans le sens inverse, donc on s'attend à ce que la polarité de la tension Hall soit la même que si les électrons étaient les porteurs de charge comme dans la plupart des métaux et n -type semi-conducteurs . Pourtant, nous observons la polarité opposée de la tension de Hall, indiquant des porteurs de charge positifs. Cependant, bien sûr, il n'y a pas de positrons réels ou d'autres particules élémentaires positives portant la charge dans les semi-conducteurs de type p , d'où le nom de "trous". De la même manière que l'image trop simpliste de la lumière dans le verre sous forme de photons absorbés et réémis pour expliquer la réfraction s'effondre après un examen plus approfondi, cette apparente contradiction ne peut également être résolue que par la théorie moderne de la mécanique quantique des quasiparticules dans laquelle le mouvement quantifié collectif de particules multiples peut, dans un sens physique réel, être considéré comme une particule à part entière (bien que non élémentaire).

Sans aucun rapport, l'inhomogénéité dans l'échantillon conducteur peut entraîner un signe parasite de l'effet Hall, même dans la configuration idéale des électrodes de van der Pauw . Par exemple, un effet Hall compatible avec les porteurs positifs a été observé dans des semi-conducteurs de type n. Une autre source d'artefact, dans les matériaux uniformes, se produit lorsque le rapport d'aspect de l'échantillon n'est pas assez long : la tension Hall complète ne se développe que loin des contacts d'introduction de courant, car aux contacts, la tension transversale est réduite à zéro.

Effet Hall dans les semi-conducteurs

Lorsqu'un semi - conducteur porteur de courant est maintenu dans un champ magnétique, les porteurs de charge du semi-conducteur subissent une force dans une direction perpendiculaire à la fois au champ magnétique et au courant. A l'équilibre, une tension apparaît sur les bords du semi-conducteur.

La formule simple pour le coefficient de Hall donnée ci-dessus est généralement une bonne explication lorsque la conduction est dominée par un seul porteur de charge . Cependant, dans les semi-conducteurs et de nombreux métaux, la théorie est plus complexe, car dans ces matériaux, la conduction peut impliquer des contributions simultanées importantes des électrons et des trous , qui peuvent être présents à des concentrations différentes et avoir des mobilités différentes . Pour des champs magnétiques modérés, le coefficient de Hall est

${\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {p\mu _{\mathrm {h} }^{2}-n\mu _{\mathrm {e} }^{2}}{e (p\mu _{\mathrm {h} }+n\mu _{\mathrm {e} })^{2}}}}$

ou équivalent

${\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {p-nb^{2}}{e(p+nb)^{2}}}}$

avec

${\displaystyle b={\frac {\mu _{\mathrm {e} }}{\mu _{\mathrm {h} }}}.}$

Ici n est la concentration en électrons, p la concentration en trous, μ _e la mobilité des électrons, μ _h la mobilité des trous et e la charge élémentaire.

Pour les grands champs appliqués, l'expression la plus simple, analogue à celle d'un type de support unique, est valable.

Relation avec la formation des étoiles

Bien qu'il soit bien connu que les champs magnétiques jouent un rôle important dans la formation des étoiles, les modèles de recherche indiquent que la diffusion Hall influence de manière critique la dynamique de l'effondrement gravitationnel qui forme les protoétoiles.

Effet Hall quantique

Pour un système électronique bidimensionnel qui peut être produit dans un MOSFET , en présence d'une grande intensité de champ magnétique et d'une basse température , on peut observer l'effet Hall quantique, dans lequel la conductance Hall σ subit des transitions de Hall quantique pour prendre la quantification valeurs.

Effet Hall de rotation

L'effet Hall de spin consiste en l'accumulation de spin sur les frontières latérales d'un échantillon porteur de courant. Aucun champ magnétique n'est nécessaire. Il a été prédit par Mikhail Dyakonov et VI Perel en 1971 et observé expérimentalement plus de 30 ans plus tard, à la fois dans les semi-conducteurs et dans les métaux, à température cryogénique comme à température ambiante.

Effet Hall de spin quantique

Pour les puits quantiques bidimensionnels au tellurure de mercure avec un fort couplage spin-orbite, dans un champ magnétique nul, à basse température, l'effet Hall de spin quantique a été récemment observé.

Effet Hall anormal

Dans les matériaux ferromagnétiques (et les matériaux paramagnétiques dans un champ magnétique ), la résistivité de Hall comprend une contribution supplémentaire, connue sous le nom d' effet Hall anormal (ou effet Hall extraordinaire ), qui dépend directement de l' aimantation du matériau, et est souvent beaucoup plus importante que l'effet Hall ordinaire. (Notez que cet effet n'est pas dû à la contribution de l' aimantation au champ magnétique total .) Par exemple, dans le nickel, le coefficient de Hall anormal est environ 100 fois plus grand que le coefficient de Hall ordinaire près de la température de Curie, mais les deux sont similaire à très basse température. Bien qu'il s'agisse d'un phénomène bien connu, il existe encore un débat sur ses origines dans les divers matériaux. L'effet Hall anormal peut être soit un extrinsèque effet (trouble lié) en raison de rotation dépendant de la diffusion des porteurs de charge , ou un intrinsèque effet qui peuvent être décrits en termes de phase de Berry effet dans l'espace de moment cristallin ( k -space ).

Effet Hall dans les gaz ionisés

L'effet Hall dans un gaz ionisé ( plasma ) est significativement différent de l'effet Hall dans les solides (où le paramètre Hall est toujours bien inférieur à l'unité). Dans un plasma, le paramètre Hall peut prendre n'importe quelle valeur. Le paramètre Hall, β , dans un plasma est le rapport entre l'électron gyrofréquence , Ω _e , et la collision des particules d' électrons lourds fréquence ν :

${\displaystyle \beta ={\frac {\Omega _{\mathrm {e} }}{\nu }}={\frac {eB}{m_{\mathrm {e} }\nu }}}$

où

• e est la charge élémentaire (environ1,6 × 10 ⁻¹⁹  C )
• B est le champ magnétique (en teslas )
• m _e est la masse de l' électron (environ9,1 × 10 ⁻³¹  kg ).

La valeur du paramètre Hall augmente avec l'intensité du champ magnétique.

Physiquement, les trajectoires des électrons sont courbées par la force de Lorentz . Néanmoins, lorsque le paramètre de Hall est faible, leur mouvement entre deux rencontres avec des particules lourdes ( neutres ou ioniques ) est presque linéaire. Mais si le paramètre Hall est élevé, les mouvements des électrons sont fortement courbés. Le vecteur densité de courant , J , n'est plus colinéaire avec le vecteur champ électrique , E . Les deux vecteurs J et E font l' angle de Hall , θ , qui donne également le paramètre Hall:

${\displaystyle \beta =\tan(\theta ).}$

Applications

Les sondes à effet Hall sont souvent utilisées comme magnétomètres , c'est-à-dire pour mesurer des champs magnétiques, ou inspecter des matériaux (tels que des tubes ou des pipelines) en utilisant les principes de fuite de flux magnétique .

Les dispositifs à effet Hall produisent un niveau de signal très faible et nécessitent donc une amplification. Bien qu'adaptés aux instruments de laboratoire, les amplificateurs à tube à vide disponibles dans la première moitié du 20e siècle étaient trop chers, consommaient de l'énergie et peu fiables pour les applications quotidiennes. Ce n'est qu'avec le développement du circuit intégré à faible coût que le capteur à effet Hall est devenu adapté à une application de masse. De nombreux dispositifs maintenant vendus sous le nom de capteurs à effet Hall contiennent en fait à la fois le capteur décrit ci-dessus et un amplificateur de circuit intégré (CI) à gain élevé dans un seul boîtier. Des avancées récentes ont en outre ajouté dans un seul boîtier un convertisseur analogique-numérique et un CI I²C (protocole de communication de circuit intégré) pour une connexion directe au port d'E/S d'un microcontrôleur .

Avantages par rapport aux autres méthodes

Les dispositifs à effet Hall (lorsqu'ils sont emballés de manière appropriée) sont immunisés contre la poussière, la saleté, la boue et l'eau. Ces caractéristiques rendent les dispositifs à effet Hall meilleurs pour la détection de position que d'autres moyens tels que la détection optique et électromécanique.

Capteur de courant à effet Hall avec amplificateur de circuit intégré interne. Ouverture de 8 mm. La tension de sortie à courant nul est à mi-chemin entre les tensions d'alimentation qui maintiennent un différentiel de 4 à 8 volts. La réponse en courant non nulle est proportionnelle à la tension fournie et est linéaire jusqu'à 60 ampères pour cet appareil particulier (25 A).

Lorsque des électrons traversent un conducteur, un champ magnétique est produit. Ainsi, il est possible de créer un capteur de courant sans contact. L'appareil dispose de trois bornes. Une tension de capteur est appliquée sur deux bornes et la troisième fournit une tension proportionnelle au courant détecté. Cela présente plusieurs avantages; aucune résistance supplémentaire (un shunt , requis pour la méthode de détection de courant la plus courante) ne doit être insérée dans le circuit primaire. De plus, la tension présente sur la ligne à détecter n'est pas transmise au capteur, ce qui renforce la sécurité des équipements de mesure.

Inconvénients par rapport aux autres méthodes

Le flux magnétique de l'environnement (comme d'autres fils) peut diminuer ou augmenter le champ que la sonde Hall a l'intention de détecter, rendant les résultats inexacts.

Les moyens de mesurer les positions mécaniques au sein d'un système électromagnétique, tel qu'un moteur à courant continu sans balai, comprennent (1) l'effet Hall, (2) un codeur de position optique (par exemple, des codeurs absolus et incrémentaux ) et (3) une tension induite en déplaçant la quantité de noyau métallique inséré dans un transformateur. Lorsque Hall est comparé aux méthodes photosensibles, il est plus difficile d'obtenir une position absolue avec Hall. La détection Hall est également sensible aux champs magnétiques parasites.

Applications contemporaines

Les capteurs à effet Hall sont facilement disponibles auprès d'un certain nombre de fabricants différents et peuvent être utilisés dans divers capteurs tels que les capteurs de vitesse de rotation (roues de vélo, dents d'engrenage, compteurs de vitesse automobiles, systèmes d'allumage électroniques), capteurs de débit de fluide , capteurs de courant et pression capteurs . On trouve souvent des applications courantes où un commutateur ou un potentiomètre robuste et sans contact est requis. Il s'agit notamment des pistolets airsoft électriques , des déclencheurs de pistolets de paintball électropneumatiques , des contrôles de vitesse des karts, des téléphones intelligents et de certains systèmes de positionnement global.

Transducteur de courant à effet Hall tore ferrite

Schéma du transducteur de courant à effet Hall intégré dans un anneau de ferrite.

Les capteurs à effet Hall peuvent détecter facilement les champs magnétiques parasites, y compris celui de la Terre, ils fonctionnent donc bien comme boussoles électroniques : mais cela signifie également que ces champs parasites peuvent entraver les mesures précises de petits champs magnétiques. Pour résoudre ce problème, les capteurs à effet Hall sont souvent intégrés à un blindage magnétique quelconque. Par exemple, un capteur Hall intégré dans un anneau de ferrite (comme illustré) peut réduire la détection des champs parasites d'un facteur 100 ou mieux (car les champs magnétiques externes s'annulent à travers l'anneau, ne donnant aucun flux magnétique résiduel ). Cette configuration offre également une amélioration du rapport signal sur bruit et des effets de dérive de plus de 20 fois ceux d'un dispositif à effet Hall nu.

La portée d'un capteur de traversée donné peut être étendue vers le haut et vers le bas par un câblage approprié. Pour étendre la plage à des courants inférieurs, plusieurs tours du fil porteur de courant peuvent être effectués à travers l'ouverture, chaque tour ajoutant à la sortie du capteur la même quantité ; lorsque le capteur est installé sur une carte de circuit imprimé, les tours peuvent être effectués par une agrafe sur la carte. Pour étendre la plage à des courants plus élevés, un diviseur de courant peut être utilisé. Le diviseur répartit le courant sur deux fils de largeurs différentes et le fil le plus fin, transportant une plus petite proportion du courant total, traverse le capteur.

Plusieurs « tours » et fonction de transfert correspondante.

Capteur à pince à bague fendue

Une variante du capteur annulaire utilise un capteur divisé qui est fixé sur la ligne permettant à l'appareil d'être utilisé dans un équipement de test temporaire. S'il est utilisé dans une installation permanente, un capteur split permet de tester le courant électrique sans démonter le circuit existant.

Multiplication analogique

La sortie est proportionnelle à la fois au champ magnétique appliqué et à la tension du capteur appliquée. Si le champ magnétique est appliqué par un solénoïde, la sortie du capteur est proportionnelle au produit du courant traversant le solénoïde et de la tension du capteur. Comme la plupart des applications nécessitant des calculs sont désormais effectuées par de petits ordinateurs numériques , l'application utile restante est la détection de puissance, qui combine la détection de courant et la détection de tension dans un seul dispositif à effet Hall.

Mesure de puissance

En détectant le courant fourni à une charge et en utilisant la tension appliquée de l'appareil comme tension de capteur, il est possible de déterminer la puissance dissipée par un appareil.

Détection de position et de mouvement

Les dispositifs à effet Hall utilisés dans la détection de mouvement et les interrupteurs de fin de course de mouvement peuvent offrir une fiabilité accrue dans des environnements extrêmes. Comme il n'y a aucune pièce mobile impliquée dans le capteur ou l'aimant, la durée de vie typique est améliorée par rapport aux commutateurs électromécaniques traditionnels. De plus, le capteur et l'aimant peuvent être encapsulés dans un matériau protecteur approprié. Cette application est utilisée dans les moteurs à courant continu sans balais .

Les capteurs à effet Hall, fixés sur des jauges mécaniques dotées d'aiguilles indicatrices magnétisées, peuvent traduire la position physique ou l'orientation de l'aiguille indicatrice mécanique en un signal électrique pouvant être utilisé par des indicateurs électroniques, des commandes ou des dispositifs de communication.

Allumage automobile et injection de carburant

Couramment utilisé dans les distributeurs pour le calage de l'allumage (et dans certains types de capteurs de position de vilebrequin et d'arbre à cames pour le calage des impulsions d'injection, la détection de vitesse, etc.), le capteur à effet Hall est utilisé en remplacement direct des points de rupture mécaniques utilisés dans les applications automobiles antérieures. Son utilisation comme dispositif de calage de l'allumage dans divers types de distributeurs est la suivante. Un aimant permanent stationnaire et une puce semi-conductrice à effet Hall sont montés l'un à côté de l'autre, séparés par un entrefer, formant le capteur à effet Hall. Un rotor métallique composé de fenêtres et de languettes est monté sur un arbre et agencé de sorte que pendant la rotation de l'arbre, les fenêtres et les languettes traversent l'entrefer entre l'aimant permanent et la puce semi-conductrice Hall. Cela protège et expose efficacement la puce Hall au champ de l'aimant permanent, qu'une languette ou une fenêtre traverse le capteur Hall. Aux fins du calage de l'allumage, le rotor en métal aura un certain nombre d'onglets et de fenêtres de taille égale correspondant au nombre de cylindres du moteur. Cela produit une sortie d'onde carrée uniforme puisque le temps d'activation/désactivation (blindage et exposition) est égal. Ce signal est utilisé par l'ordinateur du moteur ou l'ECU pour contrôler le calage de l'allumage. De nombreux capteurs à effet Hall automobiles ont un transistor NPN interne intégré avec un collecteur ouvert et un émetteur mis à la terre, ce qui signifie qu'au lieu d'une tension produite au niveau du fil de sortie du signal du capteur Hall, le transistor est allumé en fournissant un circuit à la terre à travers le signal fil de sortie.

Détection de rotation de roue

La détection de la rotation des roues est particulièrement utile dans les systèmes de freinage antiblocage . Les principes de ces systèmes ont été étendus et affinés pour offrir plus que des fonctions antidérapantes, offrant désormais des améliorations étendues de la maniabilité du véhicule .

Commande de moteur électrique

Certains types de moteurs électriques à courant continu sans balais utilisent des capteurs à effet Hall pour détecter la position du rotor et transmettre ces informations au contrôleur du moteur. Cela permet un contrôle moteur plus précis.

Applications industrielles

Les applications de la détection à effet Hall se sont également étendues aux applications industrielles, qui utilisent désormais des manettes à effet Hall pour contrôler les vannes hydrauliques, remplaçant les leviers mécaniques traditionnels par la détection sans contact. Ces applications incluent les camions miniers, les chargeuses-pelleteuses, les grues, les excavatrices, les nacelles élévatrices, etc.

Propulsion d'engins spatiaux

Un propulseur à effet Hall (HET) est un dispositif qui est utilisé pour propulser certains engins spatiaux , après leur mise en orbite ou plus loin dans l'espace. Dans le HET, les atomes sont ionisés et accélérés par un champ électrique . Un champ magnétique radial établi par des aimants sur le propulseur est utilisé pour piéger les électrons qui orbitent alors et créent un champ électrique dû à l'effet Hall. Un potentiel important s'établit entre l'extrémité du propulseur où est alimenté l'ergol neutre, et la partie où sont produits les électrons ; ainsi, les électrons piégés dans le champ magnétique ne peuvent pas tomber au potentiel inférieur. Ils sont donc extrêmement énergétiques, ce qui signifie qu'ils peuvent ioniser des atomes neutres. Le propulseur neutre est pompé dans la chambre et est ionisé par les électrons piégés. Les ions positifs et les électrons sont ensuite éjectés du propulseur sous forme de plasma quasi neutre , créant une poussée. La poussée produite est extrêmement faible, avec un débit massique très faible et une vitesse d'échappement effective/impulsion spécifique très élevée. Ceci se fait au prix de besoins en puissance électrique très élevés, de l'ordre de 4 KW pour quelques centaines de millinewtons de poussée.

L'effet Corbino

Disque de Corbino - les courbes en pointillés représentent les chemins en spirale logarithmique des électrons déviés

L' effet Corbino est un phénomène impliquant l'effet Hall, mais un échantillon métallique en forme de disque est utilisé à la place d'un échantillon rectangulaire. En raison de sa forme, le disque de Corbino permet l'observation de la magnétorésistance à effet Hall sans la tension Hall associée.

Un courant radial traversant un disque circulaire, soumis à un champ magnétique perpendiculaire au plan du disque, produit un courant « circulaire » traversant le disque.

L'absence de frontières transversales libres rend l'interprétation de l'effet Corbino plus simple que celle de l'effet Hall.

Voir également

Les références

Sources

• Introduction à la physique des plasmas et à la fusion contrôlée, Volume 1, Physique des plasmas, deuxième édition, 1984, Francis F. Chen

Lectures complémentaires

Liens externes

Brevets

• Brevet américain 1 778 796 , PH Craig, Système et appareil utilisant l'effet Hall
• Brevet américain 3 596 114 , JT Maupin, EA Vorthmann, interrupteur sans contact à effet Hall avec déclencheur Schmitt pré-polarisé
• Brevet américain 5646527 , RG Mani & K. von Klitzing, « Dispositif à effet Hall avec connexions de courant et de tension Hall » 

Général

• Comprendre et appliquer l'effet Hall
• Propulseurs à effet Hall Alta Space
• Calculateurs à effet Hall
• Tutoriel Java interactif sur l'effet Hall National High Magnetic Field Laboratory
• Article de Science World (wolfram.com) .
• " L'effet Hall ". nist.gov.
• Tableau avec coefficients de Hall des différents éléments à température ambiante .
• Simulation de l'effet Hall sous forme de vidéo Youtube
• Effet Hall dans les électrolytes
• Bowley, Roger (2010). "Effet Hall" . Soixante symboles . Brady Haran pour l' Université de Nottingham .