Глава 1

1.1. Классификация датчиков магнитного поля

В настоящее время существует большой класс датчиков магнитного поля, в основу которых положены различные физические явления (рис. 1.1.1.).

Классификация датчиков магнитного поля

Датчик Холла

Принцип работы основан на прохождении тока через датчик и действии на него магнитного поля, перпендикулярного току, на зондовых контактах возникает электродвижущая сила в направлении перпендикулярном току и магнитному полю

Датчик Виганда Принцип работы датчика заключается в том, что при внесении ферромагнитной проволоки в магнитное поле, в ней происходит самопроизвольное изменение магнитной поляризации

Индукционный датчик

Принцип работы основан на способности переменного магнитного поля индуцировать в проводнике электрический ток

Индуктивный датчик

Принцип работы основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика

Магниторезистивный датчик

Принцип действия заключается в эффекте изменения омического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля

Магнитооптический датчик

Принцип действия основан на однозначной зависимости нулевого порядка дифракции на структуре феррит-граната от внешнего магнитного поля

Рисунок 1.1.1. Классификация датчиков магнитного поля

Датчик Холла

Эффект Холла заключается в возникновении разности потенциалов между противоположными гранями проводящей пластины при протекании электрического тока через две другие ее грани, при одновременном действии магнитного поля перпендикулярно плоскости пластины. На этом эффекте построен датчик Холла [1]. Элемент Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала толщиной d, по четырем сторонам которой расположены контакты. Контакты 1 и 2 (i₁) называются токовыми, а контакты 3 и 4 (U) – выходными или измерительными (иногда эти контакты называют холловскими). Схема элемента Холла приведена на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2. Схема элемента Холла

Сущность эффекта Холла заключается в том, что в проводнике с током плотностью j, помещенным в магнитное поле B, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном j и B:

(1.1.1)

где R_h называется постоянной Холла и служит основной характеристикой эффекта. Эффект был открыт Э. Г. Холлом в 1879 г. в тонких пластинках золота и является одним из наиболее важных гальваномагнитных явлений.

Соотношение 1.1.1 описывает эффект Холла в изотропном проводнике в слабом магнитном поле. Для наблюдения эффекта прямоугольные пластины из исследуемого вещества с длиной значительно больше ширины b и толщины d, вдоль которых течет ток i₁=jbd , помещают в магнитное поле H, перпендикулярное плоскости пластинки. На середине боковых граней перпендикулярно току расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла.

Эффект Холла объясняется взаимодействием носителей заряда (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. В магнитном поле на заряженные частицы действует сила Лоренца: F = e[B v], где v = j/en – средняя скорость направленного движения носителей в электрическом поле, n – концентрация носителей, e – их заряд. Под действием этой силы частицы отклоняются в направлении, перпендикулярном B и j. В результате на боковой грани пластины происходит накопление зарядов и возникает электрическое поле Холла E_h, которое, в свою очередь действуя на заряды, уравновешивает силу Лоренца. Соотношение 1.1.1 показывает, что ЭДС Холла пропорциональна произведению значений протекающего тока i и магнитной индукции В.

Принцип действия датчика основан на прохождении тока через датчик и действии на него магнитного поля, перпендикулярного току, на зондовых контактах возникает электродвижущая сила в направлении перпендикулярном току и магнитному полю.