Гальваномагнітні перетворювачі

Гальваномагнітні ефекти спостерігаються при розміщенні провідника або напівпровідника із струмом у магнітному полі і полягають в зміні їх електричного стану або властивостей. До них, зокрема, відносять ефект утворення е.р.с. (ефект Холла) і ефект зміни електричного опору (ефект Гаусса). Перетворювачі, побудо­вані на ефекті Холла, звичайно називають генераторами Холла або магнітогенераторами, а перетворювачі, побудовані на другому ефекті,— магніторезисторами.

Ці ефекти можуть спостерігатися в будь-якому провіднику чи напівпровіднику, проте найкраще вони виявляються в матері­алах з чисто електронною або дірковою провідністю (германій, кремній, вісмут, арсенід індію, антимонід індію), з яких і виготов­ляють гальваномагнітні перетворювачі. Гальваномагнітні ефекти відчутніші в матеріалах з високою рухомістю носіїв струму й низь­кою їх концентрацією.

Якщо тонку прямокутну пластинку розмістити в магнітному полі і до вузьких бічних граней підвести струм, то на широких — утворюється е.р.с. і її опір зростає.

Утворення зазначених ефектів пояснюється дією сил Лоренца на рухомі носії струму в магнітному полі. Під дією цих сил траєк­торія руху носіїв струму змінюється, електрони зміщуються до бічних граней, внаслідок чого на них утворюються електричні потенціали. Разом з тим збільшується шлях, який проходять но­сії струму, що рівносильно зменшенню їх рухомості і збільшенню опору пластинки.

Отже, обидва ефекти утворюються одночасно, але проявля­ються вони не в однаковій мірі, що істотно залежить від форми і співвідношення геометричних розмірів перетворювача.

Перетворювач Холла являє собою чотириполюсник, викона­ний у вигляді тонкої пластинки (рис. 160). Якщо через таку пластин­ку проходить електричний струм і одночасно діє магнітне поле, вектор магнітної індукції якого перпендикулярний до площини пластинки, то на протилежних бічних гранях, паралельних напрямку струму, утворюється е. р. с. Холла

де R_хл — стала Холла, значення якої залежить від властивостей матеріалу пластинки; /—керуючий струм перетворювача; В — маг­нітна індукція; d —товщина пластинки.

Е. р. с. Холла може бути сталою або змінною залежно від того, в яке поле поміщений перетворювач і яким струмом він живиться. Якщо індукція досліджуваного поля і струм живлення постійні, то £_хл—стала. Якщо індукція поля постійна, а струм живлення змінний (і навпаки), то £_хл буде змінною і тієї ж часто­ти, що й частота змінної вхідної величини.

Перетворювачі Холла найчастіше виготовляють у вигляді тонких пластинок (d = 0,1-г-0,5 мм) або плівок. Плівкові перетворювачі разом з виводами виготовляють випаровуванням у вакуумі вихідної речовини, яка осаджується тонким шаром на ізоляційній підкладці. Вони можуть бути надзвичайно малих розмірів (до часток квадрат­ного міліметра).

У гальваномагнітному перетворювачі е. р. с. Холла спричинює поперечне електричне поле Холла, яке зрівноважує сили Лоренца. В перетворювачах Холла носії зарядів, зміщені силою Лоренца, будуть рухатись паралельно до бічних граней пластинки і зміна довжини їх шляху буде незначною. Тому в таких конструкціях ефект Гаусса проявляється слабо. Для сильного прояву ефекту Гаусса треба, щоб електричне поле Холла було слабке або зовсім відсутнє, тоді буде максимальне викривлення траєкторії руху носіїв заряду. Цього досягають підбором відповідної конструктивної форми перетворювача (рис. 161, а).

Значного послаблення електричного поля Холла (тим самим посилення ефекту Гаусса) досягають у конструкціях, Де довжина пластинки значно менша від її ширини. Тому чутливість магніторезисторів за інших рівних умов тим вища, чим менше відношення довжини перетворювача до його ширини (рис. 162).

Магніторезистивні перетворювачі слабких магнітних полів виго­товляють з плоских напівпровідникових пластинок, з'єднаних послі­довно і розділених провідниковою прокладкою (рис. 161, б). Елек­тричне поле Холла практично відсутнє в диску Корбіно, у якому

один електрод розміщують в центрі, а другий — по колу (рис. 161, в). У магніторезисторів, виконаних у формі дисьа Корбіно, ефект Гаусса проявляється найсильніше.

Відносна зміна опору магніторезистора в області слабких маг­нітних полів (до 0,3—0,5 Т) пропорційна квадрату індукції дослі­джуваного поля

де A_гс—коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів перетворю­вача, а також від фізико-хімічних властивостей матеріалу.

В області сильних магнітних полів залежність відносної зміни опору від магнітної індукції практично лінійна.

З допомогою перетворювачів Холла можна вимірювати індук­цію магнітного поля від 0,01 до 2 Т і напруженість поля від 0,1 до 10^ А/см. їх можна застосовувати для вимірювань як постійних, так і змінних магнітних полів у широкому діапазоні частот — до десятків мегагерців. Магніторезистори знаходять переважне застосу­вання для вимірювання індукції сильних постійних і змінних маг­нітних полів (від 0,3 до 2,5 Т). Похибки вимірювання гальваномаг­нітними перетворювачами становлять 1—2%.

Основним недоліком гальваномагнітних перетворювачів е віднос­но велика температурна похибка. Для її зменшення застосовують відповідні схеми температурної компенсації або термостатування перетворювачів. Є також гальваномагнітні перетворювачі з тем­пературним коефіцієнтом, не більшим за 0,1%/К (для перетворю­вачів Холла) і 0,03%/К (для магніторезисторів). Особливо темпе-ратуростабільними є плівкові перетворювачі, виготовлені із селе­ніду та телуриду ртуті.

Перетворювачам Холла властива ще й нееквіпотенціальність точок приєднання вихідних електродів, що проявляється в наяв­ності нульового сигналу (до десятків мікровольтів) і його залежності від температури. Нееквіпотенціальність можна зменшити, вми­каючи коректуючі ланки. Крім того, розроблено перетворювачі, в яких температурний дрейф нульового сигналу доведено до 1 мкВ/К.

Чутливість перетворювачів Холла та Гаусса сильно зростає при низьких температурах (нижче —150° С), що відкриває нові перспективи їх застосування.

Останнім часом розроблено нові гальваномагнітні перетворю­вачі — магнітодіоди, що являють собою напівпровідниковий діод з несиметричним р —n-переходом, у яких провідність однієї об­ласті значно вища, ніж іншої. В магнітному полі опір такого діода збільшується пропорційно індукції, що приводить до зменшення струму через діод, а при забезпеченні незмінної сили струму — до збільшення спаду напруги на діоді. Чутливість таких перетво­рювачів у десятки разів вища за чутливість перетворювачів Холла і Гаусса.

Дата добавления: 2015-07-14