1. Hiệu ứng Hall là gì?

Hiệu ứng Hall được tạo ra bởi sự tương tác giữa trường điện và trường từ tương ứng của các hạt tích điện (chẳng hạn như electron). Để hiểu rõ hơn và trực quan hơn, bạn có thể tham khảo sơ đồ minh họa nguyên lý hiệu ứng Hall bên dưới.

2. Nguyên lý của hiệu ứng Hall

Khi một tấm dẫn điện được kết nối với mạch điện có pin, dòng điện bắt đầu chạy qua. Các hạt mang điện sẽ di chuyển theo đường thẳng từ đầu này đến đầu kia của tấm. Chuyển động của các hạt mang điện tạo ra từ trường. Khi một nam châm được đặt gần tấm, từ trường của các hạt mang điện bị biến dạng, làm gián đoạn dòng chảy thẳng của các hạt mang điện. Lực làm nhiễu hướng dòng chảy của các hạt mang điện được gọi là lực Lorentz.

Do sự biến dạng của từ trường của các hạt mang điện, các electron tích điện âm sẽ lệch về một phía của tấm, trong khi các lỗ trống tích điện dương sẽ lệch về phía bên kia. Một hiệu điện thế, được gọi là điện áp Hall, sẽ được tạo ra giữa hai mặt của tấm, có thể được đo bằng một dụng cụ.

Hiệu ứng Hall và lực Lorentz: mũi tên màu xanh B biểu thị từ trường đi theo phương thẳng đứng qua tấm dẫn điện

Nguyên lý của hiệu ứng Hall phát biểu rằng khi một dây dẫn hoặc chất bán dẫn mang dòng điện được đưa vào từ trường vuông góc, điện áp có thể được đo tại vị trí vuông góc với đường đi của dòng điện.

Điện áp Hall, ký hiệu là VH, được đưa ra theo công thức:

· VH là điện áp Hall trên tấm dẫn điện

· I là dòng điện chạy qua cảm biến

· B là cường độ từ trường

· q là điện tích

· n là số hạt mang điện trên một đơn vị thể tích

· d là độ dày của cảm biến

3. Nguyên lý của cảm biến hiệu ứng Hall

Khi mật độ từ thông xung quanh cảm biến vượt quá một ngưỡng nhất định, cảm biến sẽ phát hiện và tạo ra điện áp đầu ra gọi là điện áp Hall (VH). Nguyên lý cụ thể được thể hiện trong hình bên dưới.

Cảm biến hiệu ứng Hall về cơ bản bao gồm một miếng vật liệu bán dẫn loại p mỏng hình chữ nhật, chẳng hạn như gali arsenide (GaAs), indi antimonide (InSb) hoặc indi arsenide (InAs), có dòng điện liên tục chạy qua.

Sơ đồ của cảm biến hiệu ứng Hall

Khi cảm biến hiệu ứng Hall được đặt trong từ trường, các đường sức từ tác dụng một lực lên vật liệu bán dẫn, khiến các hạt mang điện (electron và lỗ trống) lệch về hai bên của tấm bán dẫn. Sự chuyển động này của các hạt mang điện là kết quả của lực từ mà chúng chịu khi đi qua vật liệu bán dẫn.

Khi các electron và lỗ trống này di chuyển sang hai bên, một hiệu điện thế được tạo ra giữa hai mặt của vật liệu bán dẫn do sự tích tụ của các hạt mang điện này. Chuyển động của các electron qua vật liệu bán dẫn sau đó bị ảnh hưởng bởi từ trường ngoài vuông góc với nó, và hiệu ứng này rõ rệt hơn ở các vật liệu phẳng hình chữ nhật.

Hiệu ứng Hall cung cấp thông tin về loại cực từ và cường độ của từ trường. Ví dụ, cực nam sẽ khiến thiết bị tạo ra điện áp đầu ra, trong khi cực bắc sẽ không có tác dụng gì. Thông thường, cảm biến và công tắc hiệu ứng Hall được thiết kế để ở trạng thái "tắt" (trạng thái mạch hở) khi không có từ trường. Chúng chỉ "bật" (trạng thái mạch kín) khi tiếp xúc với từ trường có cường độ và độ phân cực đủ lớn.

4. Cảm biến hiệu ứng Hall

Ở dạng đơn giản nhất, cảm biến hoạt động như một cảm biến tương tự, trực tiếp trả về điện áp. Với một từ trường đã biết, khoảng cách từ tấm Hall có thể được xác định. Sử dụng một nhóm cảm biến, vị trí tương đối của nam châm có thể được suy ra.

Thông thường, cảm biến hiệu ứng Hall được kết hợp với các mạch cho phép thiết bị hoạt động ở chế độ kỹ thuật số (bật/tắt), và trong cấu hình này, chúng có thể được gọi là công tắc. Hình bên dưới cho thấy một bánh xe với hai nam châm đi qua cảm biến hiệu ứng Hall.