霍尔开关原理(霍尔开关原理电路图)

想来,大家对霍尔传感器或霍尔器件这个名称都有所耳闻。霍尔器件的应用与我们的日常生活也息息相关,例如电动车转动把手上就有霍尔器件。转动把手,通过霍尔器件将磁信号转换为电信号,并传送给控制器,进而控制电动车的电机转速。再如霍尔传感式钳形电流表、汽车开关电路上的功率霍尔电路……

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霍尔器件的工作原理就是霍尔效应,那么,什么是霍尔效应?

想要了解霍尔效应,就得先了解电磁效应中的洛伦兹力、电流与电压的含义。接下来我将给大家一一讲解以上内容。

一、电流与电压

电荷可以激发电场,并对置于电场中的其他电荷产生电场力的作用,类似于地球周围的重力场可以对人产生重力作用。电荷量越大,电场越强,相同距离间的电场力作用就越明显,这个作用就是电压,如下图1-1所示。

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图1-1

也就是说,电压越大,表明电场越强,对电荷的作用力就越大。又因为,导体中存在大量自由电子(负电荷),所以,若给导体施加电压,就相当于在导体内部施加了个强电场,在这个强电场的作用力下,导体内部的自由电子因受到力的作用发生定向移动,这就是电流。且电压越大,电场越强,受到电场力发生移动的电荷(自由电子)就越多,电流就越大。换言之,电流一方面表明了电荷的定向移动,一方面又表示了移动的电荷量(单位时间通过导体截面的电荷量)。

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另外,电场方向为电压正极指向电压负极,或者说,电场方向为正电荷指向负电荷。由于电荷之间同性相斥,异性相吸,若正电荷处于电场中,就会受到电场力从电压正极跑向负极,这个跑向就是电流正方向,所以把电流从电压正极流向负极的这种方向关系称为关联参考方向。

了解了电压与电流的含义后,我们继续讲解洛伦兹力。

二、洛伦兹力

洛伦兹力属于电磁力的一种。电磁力包括宏观上的安培力以及微观上的洛伦兹力。所谓电磁力,是指通电导体或运动电荷处于磁场中时,会受到磁场的作用力。因为通电导体本质是其内部电荷的定向移动,大量运动电荷,每个运动电荷都受到洛伦兹力的作用,在宏观上就表现为导体所受到的安培力(各个洛伦兹力的合力)。

洛伦兹力的方向判断用左手定则,如下图1-2所示,磁力线从掌心穿过,四指指向正电荷的运动方向(即电流正方向),拇指指向即为洛伦兹力方向,在这个力的作用下,正电荷的运动将发生偏转。

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图1-2

图1-2中的“×”表示磁力线方向为垂直于纸面往里。显然,若运动电荷带负电,四指指向将相反(因为负电荷的运动方向与电流正方向相反),根据左手定则,可以发现,同一磁场中,正、负电荷所受到的洛伦兹力方向相反。毫无疑问,磁场越强,运动电荷所受到的洛伦兹力就越大。

已知电压电流与洛伦兹力的含义,那么我们对霍尔效应的理解就会显得尤为简单。

三、霍尔效应

霍尔效应由物理学家霍尔发现,简单来说就是给半导体通电并将其置于磁场中,该半导体将会产生另一个电压。详细内容如下。

给一半导体通电,将有电流流过,如下图1-3所示,电流由自由电子定向移动形成。

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图1-3

将磁体靠近通电的半导体,此时半导体处于磁场中,如下图1-4所示。显然,半导体中定向移动的自由电子就会受到洛伦兹力的作用发生偏转。根据左手定则,磁力线从上往下穿过半导体,电子运动方向为四指反方向,得拇指为电子偏转方向。

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图1-4

另外,在半导体中,电荷除了自由电子外,还有失去电子的空穴(或者说离子,带正电),它们带有等量异性电荷,分别处于半导体两侧,如下图1-5所示。由于异性电荷分别聚集在半导体两侧,这就会在半导体内部形成内电场,即正负电荷之间的空间存在电场。

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图1-5

电场的建立,相当于有了电压的存在,此时用电压表测半导体两侧,必然会有具体电压值,这个电压被称为霍尔电压或霍尔电势差。

另外,图1-5中的电子依然是保持运动的,只不过其运动轨迹由直线变成弧线。

结合上文说言的洛伦兹力,磁场越强,所能束缚的运动电荷就越多,那么半导体两侧聚集的异性电荷就越多,所建立的内电场就越强,即两侧的电压越大。

所以,改变磁场的强弱,就可以改变半导体两侧的霍尔电压,这就是霍尔器件的工作原理,你明白了吗?

回到前文的电动车把手,把手转动部分装有磁体,固定部分装有霍尔元件,转动把手,就相当于改变磁体与霍尔元件的相对位置,对于霍尔元件来说,其周围的磁场发生改变,所以输出电压也就改变!

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