10.2.2 Гальваномагнітні перетворювачі

Гальваномагнітні ефекти спостерігаються при розміщенні провідника або напівпровідника зі струмом у магнітному полі і полягають у зміні їх електричного стану або властивостей. До них, зокрема, відносять ефект Холла – ефект утворення ЕРС, та ефект Гаусса – ефект зміни електричного опору. Перетворювачі, побудовані на ефекті Холла, зазвичай називають магнітогенераторами чи перетворювачами Холла, а перетворювачі, що базуються на ефекті Гаусса, – магніторезисторами.

Ці ефекти можуть спостерігатися в будь-якому провіднику чи напівпровіднику, проте найкраще вони виявляються у матеріалах з чисто електронною або чисто дірковою провідністю (германій, кремній, вісмут та арсенід), з яких і виготовляють гальваномагнітні перетворювачі. Гальваномагнітні ефекти відчутніші у матеріалах з високою рухомістю носіїв струму і низькою їх концентрацією.

Якщо тонку прямокутну пластинку розмістити в магнітному полі і до вузьких її бічних граней підвести струм, то на широких гранях утвориться ЕРС і опір пластинки зросте. Ці ефекти пояснюються дією сил Лоренца на рухомі носії струму в магнітному полі. Під дією цих сил траєкторія руху носіїв струму змінюється, електрони зміщуються до бічних граней, внаслідок чого на останніх утворюються електричні потенціали. Разом з тим збільшується шлях, який проходять носії струму, що подібно зниженню їх рухомості й збільшенню електричного опору пластинки.

Рисунок 10.4 - Перетворювач Холла

Таким чином обидва ефекти утворюються одночасно, однак проявляються вони не в однаковій мірі, що істотно залежить від форми і геометричних розмірів перетворювача.

Перетворювач Холла являє собою чотириполюсник, виконаний у вигляді тонкої пластинки (рис. 10.4). Якщо через таку пластинку проходить електричний струм і одночасно діє магнітне поле, вектор якого перпендикулярний до площини пластинки, то на протилежних бічних гранях, паралельних до напрямку струму, утворюється ЕРС Холла

, (10.14)

де R_хл – постійна Холла, що залежить від властивостей матеріалу пластинки; І – керуючий струм перетворювача; В – магнітна індукція поля; d – товщина пластинки.

ЕРС Холла може бути сталою або змінною. Якщо індукція В досліджуваного поля і струм І живлення постійні, то Е_хл – стала. Якщо ж індукція поля постійна, а струм живлення змінний (і навпаки), то Е_хл буде змінною і тієї ж самої частоти, що й частота змінної вхідної величини (індукції чи струму).

Перетворювачі Холла найчастіше виготовляють у вигляді тонких пластинок товщиною 0,1…0,5 мм або плівок. Плівкові перетворювачі виготовляють випаровуванням у вакуумі вихідної речовини, яка осаджується тонким шаром на ізоляційній підкладці. Вони можуть бути надзвичайно малих розмірів (до часток квадратного міліметра).

У

Рисунок 10.5 - Магніторезистивні перетворювачі

гальваномагнітному перетворювачі взагалі ЕРС

Холла спричиняє поперечне електричне поле Холла, яке зрівноважує сили Лоренца. В перетворювачах Холла, товщина яких, як вже зазначалося, не перевищує 0,5 мм, носії зарядів, зміщені силою Лоренца, рухатимуться паралельно до бічних граней пластинки і зміна їх шляху буде незначною. Тому в таких перетворювачах ефект Гаусса проявляється слабо. Для сильного прояву цього ефекту необхідно, щоб електричне поле Холла було слабким або й відсутнє зовсім, тоді викривлення траєкторії руху носіїв заряду буде максимальним. Це досягається підбором відповідної конструктивної форми перетворювача (рис. 10.5, а).

Значного послаблення електричного поля Холла (тим самим посилення ефекту Гаусса) вдається досягти в конструкціях, де довжина пластинки значно менша за її ширину. Тому чутливість магніторезисторів за однакових інших умов тим вища, чим менше відношення довжини перетворювача до його ширини (рис. 10.6).

Магніторезистивні перетворювачі слабких магнітних полів виготовляють з пласких напівпровідникових пластинок, з’єднаних послідовно і розділених провідниковою прокладкою (рис. 10.5, б). Електричне поле Холла практично відсутнє у диску Корбіно, у якому один електрод розміщують в центрі, а другий – по колу (рис. 10.5, в). В таких магніторезисторів ефект Гаусса проявляється найсильніше.

Відносна зміна опору магніторезистора в царині слабких магнітних полів (до 0,3…0,5 Тл) пропорційна до квадрату індукції досліджуваного поля

, (10.15)

де А_гс – коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів перетворювача та фізикохімічних властивостей матеріалу.

В царині сильних магнітних полів залежність відносної зміни опору від магнітної індукції практично лінійна.

З допомогою перетворювачів Холла вдається виміряти індукцію магнітного поля від 0,01 до 2 Тл і напруженість поля від 0,1 до 10⁵ А/см. Їх можна застосовувати для вимірювання як постійних, так і змінних магнітних полів частотою до десятків мегагерц. Магніторезистори, в свою чергу, знаходять переважне застосування для вимірювання сильних постійних і змінних магнітних полів (0,3…2,5 Тл).

Похибки вимірювання гальваномагнітними перетворювачами становлять 1…2%. Основним їх недоліком є відносно велика температурна похибка. Для її зниження застосовують відповідні схеми температурної компенсації або термостатування перетворювачів.

Порівняно недавно розроблено і вже застосовуються нові гальваномагнітні перетворювачі – магнітодіоди, що являють собою напівпровідниковий діод з несиметричним p–n-переходом, в яких провідність однієї області значно вища, ніж іншої. В магнітному полі опір такого діода збільшується пропорційно до індукції, що призводить до зменшення струму через діод, а при стабілізації струму – відповідно до збільшення спаду напруги на діоді. Чутливість таких перетворювачів в десятки разів вища, аніж у перетворювачів Холла і Гаусса. Чутливість перетворювачів Холла та Гаусса суттєво зростає при низьких температурах (нижче –150˚ С), що відкриває нові перспективи їх застосування.