1. ما هو تأثير هول؟

ينشأ تأثير هول نتيجة التفاعل بين المجالين الكهربائي والمغناطيسي المتقابلين للجسيمات المشحونة (مثل الإلكترونات). لفهم أوضح وأكثر وضوحًا، يُمكنك الرجوع إلى الرسم المتحرك لمبدأ تأثير هول أدناه.

2. مبدأ تأثير هول

عند توصيل صفيحة موصلة بدائرة كهربائية موصولة ببطارية، يبدأ التيار بالتدفق. تتحرك حاملات الشحنة في مسار خطي من أحد طرفي الصفيحة إلى الطرف الآخر. تُولّد حركة حاملات الشحنة مجالًا مغناطيسيًا. عند وضع مغناطيس بالقرب من الصفيحة، يتشوه المجال المغناطيسي لحاملات الشحنة، مما يُعطّل التدفق المستقيم لحاملات الشحنة. تُسمى القوة التي تُغيّر اتجاه تدفق حاملات الشحنة بقوة لورنتز.

بسبب تشوه المجال المغناطيسي لحاملات الشحنة، تنحرف الإلكترونات سالبة الشحنة إلى أحد جانبي الصفيحة، بينما تنحرف الفجوات موجبة الشحنة إلى الجانب الآخر. وينشأ فرق جهد، يُعرف بجهد هول، بين جانبي الصفيحة، ويمكن قياسه بجهاز.

تأثير هول وقوة لورنتز: يمثل السهم الأزرق B المجال المغناطيسي الذي يمر عموديًا عبر اللوحة الموصلة

تنص مبدأ ظاهرة هول على أنه عند إدخال موصل أو شبه موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي عمودي، يمكن قياس الجهد في موضع عمودي على مسار التيار.

يتم إعطاء جهد هول، والذي يرمز له بـ VH، بالصيغة التالية:

· VH هو جهد هول على اللوحة الموصلة

· I هو التيار المتدفق عبر المستشعر

· B هي قوة المجال المغناطيسي

· q هي الشحنة

· n هو عدد حاملات الشحنة لكل وحدة حجم

· d هو سمك المستشعر

3. مبدأ عمل مستشعرات تأثير هول

عندما تتجاوز كثافة التدفق المغناطيسي حول المستشعر حدًا مُحددًا مُسبقًا، يرصده المستشعر ويُولّد جهد خرج يُسمى جهد هول (VH). ويوضح الشكل أدناه المبدأ المُحدد.

يتكون مستشعر تأثير هول بشكل أساسي من قطعة مستطيلة رفيعة من مادة أشباه الموصلات من النوع p، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، أو أنتيمونيد الإنديوم (InSb)، أو زرنيخيد الإنديوم (InAs)، والتي يمر من خلالها تيار مستمر.

مخطط تخطيطي لمستشعر تأثير هول

عند وضع مستشعر تأثير هول في مجال مغناطيسي، تُؤثر خطوط التدفق المغناطيسي بقوة على المادة شبه الموصلة، مما يُسبب انحراف حاملات الشحنة (الإلكترونات والفجوات) إلى جانبي صفيحة شبه الموصل. وتنتج هذه الحركة لحاملات الشحنة عن القوة المغناطيسية التي تتعرض لها أثناء مرورها عبر المادة شبه الموصلة.

مع تحرك هذه الإلكترونات والفجوات جانبيًا، يتولد فرق جهد بين جانبي المادة شبه الموصلة نتيجة تراكم حاملات الشحنة. تتأثر حركة الإلكترونات عبر المادة شبه الموصلة بمجال مغناطيسي خارجي عمودي عليها، ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في المواد المستطيلة المسطحة.

يوفر تأثير هول معلومات حول نوع القطب المغناطيسي ومقدار المجال المغناطيسي. على سبيل المثال، يُنتج القطب الجنوبي جهدًا خرجيًا من الجهاز، بينما لا يُحدث القطب الشمالي أي تأثير. عادةً، تُصمم مستشعرات ومفاتيح تأثير هول لتكون في حالة "إيقاف" (حالة دائرة مفتوحة) عند عدم وجود مجال مغناطيسي. ولا تُشغل إلا عند تعرضها لمجال مغناطيسي ذي قوة واستقطاب كافٍ.

4. أجهزة استشعار تأثير هول

في أبسط صوره، يعمل المستشعر كمستشعر تناظري، حيث يعيد الجهد مباشرةً. باستخدام مجال مغناطيسي معروف، يمكن تحديد المسافة من صفيحة هول. وباستخدام مجموعة من المستشعرات، يمكن استنتاج الموقع النسبي للمغناطيس.

عادةً ما تُدمج مستشعرات تأثير هول مع دوائر تُمكّن الجهاز من العمل في الوضع الرقمي (تشغيل/إيقاف)، وفي هذا التكوين، يُمكن الإشارة إليها باسم المفاتيح. يُظهر الشكل أدناه عجلةً بها مغناطيسين يمران بجانب مستشعر تأثير هول.