1. Wat is het Hall-effect?

Het Hall-effect wordt veroorzaakt door de interactie tussen de bijbehorende elektrische en magnetische velden van geladen deeltjes (zoals elektronen). Voor een helderder en intuïtiever begrip kunt u het onderstaande animatiediagram van het Hall-effectprincipe raadplegen.

2. Principe van het Hall-effect

Wanneer een geleidende plaat wordt aangesloten op een circuit met een batterij, begint er stroom te lopen. Ladingdragers bewegen zich lineair van het ene uiteinde van de plaat naar het andere. De beweging van de ladingdragers genereert een magnetisch veld. Wanneer een magneet dicht bij de plaat wordt geplaatst, wordt het magnetische veld van de ladingdragers vervormd, waardoor de rechtlijnige stroom van de ladingdragers wordt verstoord. De kracht die de stroomrichting van de ladingdragers verstoort, wordt de Lorentzkracht genoemd.

Door de vervorming van het magnetische veld van de ladingdragers zullen negatief geladen elektronen naar één kant van de plaat afbuigen, terwijl positief geladen gaten naar de andere kant zullen afbuigen. Er ontstaat een potentiaalverschil, de zogenaamde Hall-spanning, tussen de twee zijden van de plaat, dat met een instrument kan worden gemeten.

Hall-effect en Lorentz-kracht: de blauwe pijl B geeft het magnetische veld weer dat verticaal door de geleidende plaat gaat

Het principe van het Hall-effect stelt dat wanneer een stroomvoerende geleider of halfgeleider in een loodrecht magnetisch veld wordt gebracht, er een spanning kan worden gemeten op een positie loodrecht op het stroompad.

De Hall-spanning, aangeduid als VH, wordt gegeven door de formule:

· VH is de Hall-spanning op de geleidende plaat

· I is de stroom die door de sensor stroomt

· B is de magnetische veldsterkte

· q is de lading

· n is het aantal ladingdragers per volume-eenheid

· d is de dikte van de sensor

3. Principe van Hall-effectsensoren

Wanneer de magnetische fluxdichtheid rond de sensor een bepaalde, vooraf ingestelde drempelwaarde overschrijdt, detecteert de sensor dit en genereert een uitgangsspanning, de zogenaamde Hall-spanning (VH). Het specifieke principe wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Een Hall-effectsensor bestaat in principe uit een dun rechthoekig stukje p-type halfgeleidermateriaal, zoals galliumarsenide (GaAs), indiumantimonide (InSb) of indiumarsenide (InAs), waar een continue stroom doorheen loopt.

Schematisch diagram van de Hall-effectsensor

Wanneer een Hall-effectsensor in een magnetisch veld wordt geplaatst, oefenen de magnetische fluxlijnen een kracht uit op het halfgeleidermateriaal, waardoor ladingsdragers (elektronen en gaten) naar beide zijden van de halfgeleiderplaat afbuigen. Deze beweging van ladingsdragers is het gevolg van de magnetische kracht die ze ondervinden wanneer ze door het halfgeleidermateriaal stromen.

Doordat deze elektronen en gaten zijwaarts bewegen, ontstaat er een potentiaalverschil tussen de twee zijden van het halfgeleidermateriaal door de accumulatie van deze ladingsdragers. De beweging van elektronen door het halfgeleidermateriaal wordt vervolgens beïnvloed door een extern magnetisch veld dat er loodrecht op staat. Dit effect is sterker in vlakke, rechthoekige materialen.

Het Hall-effect geeft informatie over het type magnetische pool en de sterkte van het magnetische veld. Een zuidpool zorgt er bijvoorbeeld voor dat het apparaat een spanning produceert, terwijl een noordpool geen effect heeft. Hall-effectsensoren en -schakelaars zijn doorgaans ontworpen om in een "uit"-stand (open circuit) te staan wanneer er geen magnetisch veld aanwezig is. Ze "gaan pas aan" (gesloten circuit) wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld met voldoende sterkte en polariteit.

4. Hall-effectsensoren

In zijn eenvoudigste vorm werkt de sensor als een analoge sensor die direct een spanning terugstuurt. Met een bekend magnetisch veld kan de afstand tot de Hall-plaat worden bepaald. Met behulp van een groep sensoren kan de relatieve positie van de magneet worden afgeleid.

Hall-effectsensoren worden meestal gecombineerd met schakelingen die het apparaat in de digitale (aan/uit) modus laten werken. In deze configuratie worden ze ook wel schakelaars genoemd. De onderstaande afbeelding toont een wiel met twee magneten die langs een Hall-effectsensor lopen.