fbpx

Efekt Halla co to jest?

Efekt Halla co to jest?

Czy dziś naprawdę można skutecznie oszukać telefon komórkowy? Do wprowadzenia w błąd aparatu nie potrzeba już skomplikowanych algorytmów sztucznej inteligencji, złośliwego oprogramowania czy hackerskiego włamania. Wystarczy jeden, prosty, zwykły magnes. Weź go do ręki i przyłóż do wyświetlacza. Zgasł ekran? Tak – zrobiłeś to. Właśnie oszukałeś swojego smartfona!

Czy to oznacza, że nie jest on taki „smart” jakby mogło Ci się wydawać? Otóż nie – wykorzystałeś właśnie zjawisko fizyczne odkryte 150 lat temu, aby wprowadzić w błąd podstawowe narzędzie komunikacji XXI wieku!

Dziś, bez elektroniki trudno wyobrazić sobie sprawne funkcjonowanie każdej chwili naszej codzienności. Telefony, z początkowej funkcji zapewniającej łączność na duże odległości, skutecznie stały się narzędziem przejmującym kontrolę nad kolejnymi obszarami naszego życia. Aktualnie nie tylko zapewniają dostęp do wiadomości, ale kontrolują również nasze zachowania czy wręcz decydują o naszym zdrowiu czy życiu.

Podobnie jak komputery, wypierają nas z kolejnych obszarów funkcjonowania. Dodając do tego uczenie maszynowe i aspekty sztucznej inteligencji szybko zauważamy, że stajemy się zakładnikami nowinek technologicznych. Czy ich dynamiczny rozwój byłby w ogóle możliwy, gdyby nie wydarzenia sprzed blisko 150 lat? Co się wtedy wydarzyło takiego znaczącego? Przenieśmy się na chwilę do przeszłości!

Przejdź szybko do wybranego fragmentu tekstu:

    Elektromagnetyzm podstawą efektu Halla

    Jesteśmy na wschodnim wybrzeżu USA, w Baltimore, w roku 1879. To właśnie tu, młody uczony, Edwin Hall, w akademickim laboratorium sprawdza doświadczalnie twierdzenia Jamesa Maxwella, twórcy elektromagnetyzmu, jednego z najbardziej znaczących odkryć fizyki.

    Elektryczność i magnetyzm to przecież dwa rodzaje tego samego zjawiska! Dlaczego więc na ściankach przewodnika za każdym razem występuje charakterystyczna różnica potencjałów, czyli napięcie, kiedy umieszcza go w polu magnetycznym? Co powoduje, że elektrony związane z przepływem prądu w przewodniku są odciągane w jedną stronę, w chwili położenia go w prostopadle postawionym magnesie? Edwin Hall był pierwszym człowiekiem, który zaobserwował, zmierzył i opisał nowe zjawisko – nazwane na jego cześć „Efektem Halla”. To właśnie z tego odkrycia tak często dziś korzystamy!

    Edwin Hall, zjawisko Halla, wynalazca TV
    Odkrywca Efektu Halla – Edwin Hall

    Na czym polega efekt Halla?

    W dużym uproszczeniu, to zjawisko opisujące obecność i wskazujące na wielkość pola magnetycznego, jakie wytwarza się wokół przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oczywiście – takie zjawisko występuje tylko gdy taki materiał znajduje się w polu magnetycznym i to nie byle jakim. Musi być ono ułożone poprzecznie do kierunku płynącego prądu. Jest to więc pochodna siły Lorentza – czyli tzw. siły magnetycznej. Pamiętacie, co to za wielkość? Przypomnijmy sobie zatem co to jest siła Lorentza.

    Z fizyki wiemy, że każdy ładunek elektryczny poruszający się wytwarza pole magnetyczne. Płynący prąd oddziałuje więc na przestrzeń wokół siebie. Co się stanie, kiedy taki przewodnik umieścimy w magnesie? Wtedy to właśnie mamy do czynienia ze wzajemnym oddziaływaniem dwóch pól magnetycznych – jednym wytworzonym przez płynący prąd i drugim wynikającym z działania magnesu. Co się stanie? Pamiętacie regułę prawej dłoni? Powstaje siła Lorentza, która zakrzywia tor cząstki w polu magnetycznym – sprawia, że zaczynają one poruszać się po okręgu.

    Zastosowanie Efektu Halla w drzwiach, wynalazca TV
    mechanizm generacji napięcia Hallagra

    Wiemy już, że pole magnetyczne zmienia więc tor ruchu elektronów. Fizycy doświadczalnie udowodnili, że im silniejsze pole magnetyczne, tym większe następuje odchylenie ruchu cząstek. Oznacza to, że jest większa różnica potencjałów – ją właśnie nazywamy napięciem Halla. Wielkość ta jest zatem proporcjonalna do natężenia prądu i pola magnetycznego.
    Z takiego rozumowania wynika bardzo prosty wniosek – dzięki „efektowi Halla” możemy bardzo dokładnie zmierzyć pole magnetyczne co jest dużo trudniejsze niż pomiar samej energii elektrycznej.

    Efekt Halla zastosowanie

    Jak wykorzystuje się zjawisko Halla? Do czego służy pomiar wielkości zjawiska fizycznego towarzyszącego napięciu powstałego podczas płynącego prądu elektrycznego przez pole magnetyczne? Na takie pytanie odpowiedzi udziela hallotron, swoisty miernik efektu Halla. Spójrzmy zatem na zasadę działania tego urządzenia i odpowiedzmy sobie na pytanie, gdzie znajdziemy przeznaczenie odkrycia z XIX wieku.

    Czujnik Halla, wynalazca TV
    Czujnik Halla

    Co to jest hallotron?

    Hallotron, czyli urządzenie służące do wykrycia zjawiska Halla, a więc po prostu czujnik pola magnetycznego. To naprawdę mały, niezawodny i tani element, który stanowi do dziś jeden z kluczowych części urządzeń elektronicznych codziennego użytku. Jego największymi zaletami są:

    • małe wymiary, a więc możliwość zastosowania w szerokiej gamie produktów elektronicznych,
    • prostota konstrukcji mająca bezpośrednie przełożenie na długi czas użytkowania oraz wysoką odporność na uszkodzenia,
    • nieinwazyjny charakter pomiarów, w trakcie których nie występują zmiany parametrów badanego układu,
    • duża odporność na szkodliwe warunki pracy, a więc kurz, woda czy bród nie są w stanie zakłócić prowadzonych pomiarów,
    • łatwa integracja z innymi elementami elektronicznymi dającymi możliwość stworzenia jednego układu scalonego.

    Jak działa hallotron?

    Czujniki Halla to tak naprawdę nic innego jak tylko metalowe płytki z czterema elektrodami umieszczonymi na jego krawędziach, zamknięte w specjalnej obudowie. Pojawienie się pola magnetycznego powoduje, że ładunki dodatnie gromadzą się na jednym brzegu układu, a ujemne na drugim. W efekcie następuje zmiana drogi przepływu prądu. W ten oto sposób możliwy jest pomiar natężenia pola magnetycznego lub pomiar prądu elektrycznego. Dostarczają więc niezbędnych danych, które mogą włączać i wyłączać obwody elektroniczne poprzez wytworzone sygnały.

    Nic dziwnego, że coraz więcej branż sięga po te unikatowe produkty. Przyjrzyjmy się zatem najpopularniejszym zastosowaniom czujników Halla. Czy wiecie, że znajdują się one w najmniej oczekiwanych obszarach naszego życia?

    Zasada działania Hallotronu, wynalazca TV
    Zasada działania Hallotronu

    Zastosowanie hallotronów

    Otwórzmy drzwi do zastosowania hallotronów! Ale jak właściwie sprawdzić, czy są one zamknięte czy nie? Choć zadanie wydaje się banalnie proste to ciężko jednak wyobrazić sobie uzyskanie odpowiedzi bez fizycznego sprawdzenia. Tu z pomocą może przyjść właśnie czujnik Halla. Jak sprawdzić czy nasze drzwi są otwarte czy zamknięte? Okazuje się, że wystarczy na futrynie umieścić sensor, a na skrzydle magnes. Kiedy oba elementy się zetkną, przy drzwiach zamkniętych, pojawi się napięcie Halla. Kiedy jednak będą oddalone od siebie, przy otwartym wejściu, zjawisko to nie wystąpi. Tak właśnie działają wszystkie czujniki zbliżeniowe. Proste, co nie?

    Efekt Halla w telefonie

    Zadzwońmy i podzielmy się tą informacją! Otwieramy pokrowiec i włącza się ekran. Jak to? Skąd telefon wie, że chcemy teraz rozmawiać? Czy sztuczna inteligencja urządzeń aż tak dynamicznie się rozwinęła? Otóż nie, za takie komunikacyjne udogodnienie odpowiada również zjawisko Halla! Czujnik umieszczony w najnowszych rodzajach telefonów komórkowych „współpracuje” z magnesem zaszytym w futerale. Otwierając wysyłamy więc sygnał, aby uruchomić wyświetlacz, a zamykając uaktywniamy efekt Halla wygaszający ekran.

    Proste, fajne i skuteczne. Trik, który zachwyci każdego małego odkrywcę. Poskromić aparat teraz może każdy. Taka ciekawostka ma jeszcze jedną zaletę – pilnuje ona abyśmy zużywali możliwe najmniej energii elektrycznej, co więcej – pozwala na najdłuższe korzystanie z baterii. Tryb oszczędny działa!

    Skoro czujniki zbliżeniowe mają tak duże znaczenie w przedmiotach codziennego użytku, poszukajmy dalej ich zastosowań. Okazuje się, że efekt Halla wykorzystywany jest w komputerach. Znajomość dokładnego położenia talerza dysku to gwarancja niezawodnej pracy urządzenia. Jak ją zapewnić? Nic prostszego – wystarczy czujnik Halla umieścić w pobliżu wirującej części silnika. Zmiana pola magnetycznego pozwoli na dokładne określenie jego położenia.

    Już wiemy, że efekt Halla wykorzystuje w pełni dzisiejsza informatyka, telekomunikacja i elektronika. Czy możliwy byłby tak dynamiczny rozwój interesu rzeczy bez odkrycia sprzed kilkudziesięciu lat? W jakich innych obszarach zjawisko Halla znajduje jeszcze swoje zastosowanie? Zapnijmy pasy, bo ruszamy naprawdę w długą podróż!

    Zastosowanie efektu Halla w pokrowcu telefonu komórkowego
    Zastosowanie efektu Halla w pokrowcu telefonu komórkowego

    Efekt Halla w motoryzacji

    Podróż nierozerwalnie kojarzy nam się z pojazdami. Chcemy gdzieś pojechać – wsiadamy w samochód. Chcemy ruszyć a auto podnosi alarm, że nie zapięliśmy pasów bezpieczeństwa. Skąd ta „kupa żelastwa” wie, że ich nie mamy? Przypominasz sobie, kiedy mówiliśmy o tym jak sprawić, aby urządzenia wiedziały, czy drzwi są zamknięte czy otwarte? Z podobną sytuacją mamy do czynienia przy pasach bezpieczeństwa. STOP – gdzie jak gdzie, ale w dzisiejszej motoryzacji na potęgę wykorzystuje się zjawiska fizyczne, w tym właśnie efekt Halla. Zobaczmy, gdzie jeszcze możemy go znaleźć?

    Zastosowanie efektu Halla w pasach bezpieczeństwa, Wynalazca TV
    Zastosowanie efektu Halla w pasach bezpieczeństwa

    Ruszamy! Zapłon – mamy! Kto by pomyślał, że za uruchomienie auta odpowiada także zjawisko Halla? Przecież wystarczy przekręcić kluczyk w stacyjce! A czy wiesz, że w ten sposób zamykasz układ dostarczając prąd z akumulatora do cewki silnika? Aby zaskoczył potrzebne jest jeszcze wprawienie w ruch wału korbowego. On jednak nie będzie obracać się dopóki mieszanka paliwa i powietrza nie zapali się w cylindrach. Za to właśnie odpowiada czujnik Halla – to on wykrywa moment, w którym niezbędna staje się iskra. Wysyłany impuls z czujnika wymusza impuls wysokiego napięcia, która zaczyna iskrzyć ze świecą. W ten sposób zapala się mieszanka i możesz już ruszać. Podczas jazdy występują jednak sytuacje nieprzewidziane, w których odpowiednie naciśnięcie hamulca może decydować o życiu lub śmierci. Nic dziwnego, że wszystkie elektroniczne układy wspomagające możliwość zatrzymania auta są tak ważne. Czy wyobrażasz sobie jazdę bez ABS?

    ABS to dziś najpopularniejszy układ w motoryzacji. To system, który wyczuwa poślizg kół i automatycznie steruje siłą hamowania tak, aby zapobiec całkowitej utracie przyczepności. Do jego prawidłowego działania konieczne jest zatem mierzenie prędkości obrotowej kół, a prościej rzecz biorąc – niezbędna jest wiedza czy koła się kręcą czy nie. W tym właśnie celu w autach montuje się czujnik Halla. A to nie jedyny układ w samochodzie, w którym są wykorzystywane. Te drobne elektroniczne elementy odpowiadają również za pomiar prędkości, sterowanie pracą automatycznej skrzyni biegów czy stopień otwarcia szyb. Dużo tego, prawda?

    Pomiar prędkości obrotowej, wynalazca TV
    Pomiar prędkości obrotowej

    Czujniki Halla

    Już wiesz, że czujniki Halla są powszechnie stosowane tu, na Ziemi. To one zapewniają, że wiele rzeczy staje się możliwych. To one są fundamentem „świadomości” urządzeń. To prawdziwy nerw wzrokowy maszyn! Ale to nie wszystko, okazuje się, że ich zastosowanie sięga wysoko ponad nami. Zjawisko to wykorzystywane jest nawet w kosmosie! Jak? Zobaczmy, w jaki sposób działają silniki Halla, które dziś pomagają satelitom utrzymać zadany kierunek lotu. Kosmonauci są zgodni – to właśnie one będą kluczowym elementem napędu wszystkich stacji i rakiet kosmicznych. Wszechświat staje przed nami otworem!

    Silniki Halla - silniki przyszłości

    Dzisiejsze silniki Halla zbudowane są z komory pierścieniowej lub cylindrycznej, w której znajduje się anoda odpowiadająca za dostarczanie najczęściej wykorzystywanego w przestrzeni kosmicznej gazu – ksenonu. W wyniku zderzeń z elektronami ulegają jonizacji, a dzięki przyłożonemu napięciu przyspieszane są w kierunku wylotu. Zamontowane na zewnątrz komory magnesy wytwarzają pole magnetyczne, które utrzymuje dostateczną do jonizacji gazu liczbę elektronów. Wszystko to powoduje, że stanowią one niezbędny napęd do dzisiejszych misji kosmicznych. W przeciwieństwie do rakietowych silników chemicznych skutecznie pracują w przestrzeni kosmicznej przez kilkadziesiąt dni spalając stosunkowo niewielkie ilości paliwa. Niestety wciąż charakteryzują się małą siłą ciągu… Naukowcy mają naprawdę nad czym pracować. Czy zjawisko Halla znów podpowie najkorzystniejsze rozwiązanie?

    schemat silnika Halla, wynalazca tv
    Schemat silnika Halla

    Czy w 1879 roku Edwin Hall badający zjawiska fizyczne mógł zdawać sobie sprawę, że jego odkrycie będzie stanowić fundament podboju kosmosu? Czy kiedykolwiek, komukolwiek śniło się, że tak prosta własność oddziaływania pola magnetycznego na materiał przewodzący prąd elektryczny znajdzie tak szerokie spektrum zastosowań? Czego jeszcze nie wiemy o magnetyzmie? Czy nowe badania zwiększą zakres poznania naszego Wszechświata? Tak czy siak – wyłączając monitor pamiętajmy, że zjawisko Halla jest nieustannie obecne w naszym, zwykłym, szarym, codziennym życiu.

    Źródło Grafik:

    [1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_Halla (stan na dzień: 18.02.2022)

    [2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hall (stan na dzień: 18.02.2022)

    [3] https://pg.edu.pl/files/ftims/2021-03/Cwicz35_01.pdf (stan na dzień: 18.02.2022)

    [4] https://www.elektronika24.pl/czujnik-halla/ (stan na dzień: 18.02.2022)

    [5] https://theorycircuit.com/door-open-alarm-circuit-using-hall-effect-sensor/door-open-alarm-hall-effect-sensor/ (stan na dzień: 18.02.2022)

    [6] https://www.allegromicro.com/en/applications/automotive/safety-and-adas/seatbelt (stan na dzień: 18.02.2022)

    [7] https://electronics.stackexchange.com/questions/408970/how-does-a-hall-effect-wheel-speed-sensor-work(stan na dzień: 18.02.2022)

    [8] https://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_Halla (stan na dzień: 18.02.2022)

    Wynalazca TV
    Marka została stworzona, by pomagać wynalazcom, przedsiębiorcom oraz startupom w kreowaniu prototypów, ochronie pomysłów (wynalazków) oraz ich sprzedaży.