1. Was ist der Hall-Effekt?

Der Hall-Effekt entsteht durch die Wechselwirkung zwischen den entsprechenden elektrischen und magnetischen Feldern geladener Teilchen (wie Elektronen). Für ein anschaulicheres und intuitiveres Verständnis können Sie sich das unten stehende Animationsdiagramm des Hall-Effekt-Prinzips ansehen.

2. Prinzip des Hall-Effekts

Wird eine leitfähige Platte an einen Stromkreis mit einer Batterie angeschlossen, beginnt Strom zu fließen. Ladungsträger bewegen sich linear von einem Ende der Platte zum anderen. Die Bewegung der Ladungsträger erzeugt ein Magnetfeld. Wird ein Magnet in die Nähe der Platte gebracht, wird das Magnetfeld der Ladungsträger verzerrt, was den geradlinigen Fluss der Ladungsträger unterbricht. Die Kraft, die die Richtung des Ladungsträgerflusses stört, heißt Lorentzkraft.

Aufgrund der Verzerrung des Magnetfelds der Ladungsträger werden negativ geladene Elektronen auf eine Seite der Platte abgelenkt, während positiv geladene Löcher auf die andere Seite abgelenkt werden. Zwischen den beiden Seiten der Platte entsteht eine Potentialdifferenz, die sogenannte Hall-Spannung, die mit einem Messgerät gemessen werden kann.

Hall-Effekt und Lorentzkraft: Der blaue Pfeil B stellt das Magnetfeld dar, das vertikal durch die leitfähige Platte verläuft

Das Prinzip des Hall-Effekts besagt, dass beim Einbringen eines stromdurchflossenen Leiters oder Halbleiters in ein senkrechtes Magnetfeld an einer Position senkrecht zum Strompfad eine Spannung gemessen werden kann.

Die Hall-Spannung, bezeichnet als VH, ergibt sich aus der folgenden Formel:

· VH ist die Hall-Spannung auf der leitfähigen Platte

· I ist der durch den Sensor fließende Strom

· B ist die magnetische Feldstärke

· q ist die Ladung

· n ist die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit

· d ist die Dicke des Sensors

3. Prinzip der Hall-Effekt-Sensoren

Überschreitet die magnetische Flussdichte um den Sensor einen voreingestellten Schwellenwert, erkennt der Sensor dies und erzeugt eine Ausgangsspannung, die sogenannte Hall-Spannung (VH). Das genaue Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Ein Hall-Effekt-Sensor besteht im Wesentlichen aus einem dünnen rechteckigen Stück p-Typ-Halbleitermaterial, beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Indiumantimonid (InSb) oder Indiumarsenid (InAs), durch das ein kontinuierlicher Strom fließt.

Schematische Darstellung des Hall-Effekt-Sensors

Wird ein Hall-Effekt-Sensor in ein Magnetfeld gebracht, üben die magnetischen Flusslinien eine Kraft auf das Halbleitermaterial aus, wodurch Ladungsträger (Elektronen und Löcher) zu beiden Seiten der Halbleiterplatte abgelenkt werden. Diese Bewegung der Ladungsträger ist das Ergebnis der magnetischen Kraft, die sie beim Durchgang durch das Halbleitermaterial erfahren.

Wenn sich diese Elektronen und Löcher seitwärts bewegen, entsteht aufgrund der Ansammlung dieser Ladungsträger eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten des Halbleitermaterials. Die Bewegung der Elektronen durch das Halbleitermaterial wird dann durch ein senkrecht dazu stehendes externes Magnetfeld beeinflusst. Dieser Effekt ist bei flachen, rechteckigen Materialien stärker ausgeprägt.

Der Hall-Effekt liefert Informationen über die Art des Magnetpols und die Stärke des Magnetfelds. Beispielsweise erzeugt ein Südpol eine Spannung, während ein Nordpol wirkungslos bleibt. Hall-Effekt-Sensoren und -Schalter sind typischerweise so ausgelegt, dass sie sich im ausgeschalteten Zustand (offener Stromkreis) befinden, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Erst wenn sie einem Magnetfeld ausreichender Stärke und Polarität ausgesetzt sind, schalten sie sich ein (geschlossener Stromkreis).

4. Hall-Effekt-Sensoren

In seiner einfachsten Form arbeitet der Sensor analog und gibt direkt eine Spannung aus. Bei bekanntem Magnetfeld lässt sich der Abstand zur Hall-Platte bestimmen. Mithilfe mehrerer Sensoren lässt sich die relative Position des Magneten ermitteln.

Hall-Effekt-Sensoren werden üblicherweise mit Schaltkreisen kombiniert, die den digitalen Betrieb (Ein/Aus) ermöglichen. In dieser Konfiguration werden sie als Schalter bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt ein Rad mit zwei Magneten, die an einem Hall-Effekt-Sensor vorbeilaufen.