تعريف محول تأثير هول:
محول تأثير هول (Hall Effect Transducer): هو جهاز يستخدم لقياس شدة المجال المغناطيسي. يستخدم محول الطاقة هذا شريطًا موصلًا لتحويل المجال المغناطيسي إلى فرق جهد متناسب عبر الوجوه المعاكسة للشريط باستخدام تأثير هول.
مبدأ عمل محول تأثير هول:
يعتمد مبدأ عمل محول تأثير هول (Hall Effect Transducer) على تأثير هول الكمي (Hall Effect). تأثير هول الكمي (Hall Effect) هو في الأساس عملية تطوير فرق الجهد عبر وجهين لشريط حمل تيار عندما يتم الاحتفاظ بالشريط في مجال مغناطيسي. يعتمد حجم الجهد على التيار وقوة المجال المغناطيسي وخاصية المادة الموصلة. تمّ العثور على تأثير هول في توصيل المواد وأشباه الموصلات بكميات متفاوتة اعتمادًا على كثافة وحركة التيار الناقل.
شرح مبدأ عمل محول تأثير هول:
لنتحدث عن مبدأ عمل محول تأثير هول. يتم الاحتفاظ بشريط موصل في مجال مغناطيسي عرضي. نلاحظ أنّ التيار عبر الشريط والمجال المغناطيسي متعامدان مع بعضهما البعض. يعني تدفق التيار تدفق الشحنات الموجبة في اتجاه التيار. هذا يعني أنّ المجال المغناطيسي سيؤثر على الشحنات الموجبة المتحركة وفقًا لـلمعادلة:
F = q (vXB)
حيث: (v) و(B) هما سرعة وقوة المجال المغناطيسي. (v & B) في شكل متجه. نظرًا لأنّ (v) و(B) متعامدان على بعضهما البعض، فإنّ مقدار القوة المؤثرة على الشحنات الموجبة المتحركة سيكون:
F = qvB
سيكون اتجاه القوة (F) عموديًا على كل من (v) و(B) وفقًا لقانون حاصل الضرب الاتجاهي لمتجهين. هذا يعني بشكل أساسي أنّ (F) سيتم توجيهها من الحافة (3) إلى (4). بسبب هذه القوة على الشحنات الموجبة، ستستمر هذه الشحنات في التراكم على الوجه (3) والذي بدوره سيخلق مجالًا كهربائيًا. سيكون اتجاه المجال الكهربائي عكس اتجاه القوة (F)، أي من الحافة (3) إلى (4). لذلك، بعد مرور بعض الوقت، سيصبح حجم القوة التي يمارسها المجال الكهربائي (E) و(F) متساويًا، وبالتالي لن يكون هناك أي حركة أخرى لـلشحنات.
qE = F
حيث: (qE) هي القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة بسبب المجال الكهربائي.
qE = qvB
E = vB
نظرًا لتركيب المجال الكهربائي (E) في شريط التوصيل عبر الحافة (3) و(4)، سيتم إنتاج فرق جهد عبر هذا الوجه. بافتراض أنّ سمك الشريط هو (t)، يتم إعطاء قوة فرق الجهد عبر (3) و(4):
EH = Et
= vBt …….(1)
نظرًا لأنّ كثافة التيار الكهربائي من خلال مادة تتناسب طرديًا مع سرعة ناقلات الشحنة:
v = KHJ ……..(2)
حيث: (J) هو التيار عبر الشريط و(KH) ثابت التناسب ويسمّى “معامل تأثير هول” (Hall Effect Coefficient). لكن (J = I / A) حيث (A) هي مساحة السطح، لذلك:
J = I/t2
ومن ثمّ، من المعلومات في المعادلة (2):
v = KHI / t2
من المعلومات في المعادلة (1):
EH = (KHIB) / t ……..(3)
يعطي التعبير أعلاه الجهد المتطور بسبب “تأثير هول”. هذا الجهد يسمّى تأثير هول (emf) ويستخدم إمّا لقياس حجم التيار أو شدة المجال المغناطيسي. حجم (Hall Effect emf) صغير جدًا في الموصلات ومن ثم يصعب قياسه. ومع ذلك، فإنّ قيمتها إذا كانت كافية تمامًا في أشباه الموصلات ويمكن قياسها بسهولة بواسطة أدوات الملف المتحرك الحساسة.
تطبيقات محول تأثير هول:
التطبيقات الرئيسية لمحول تأثير هول موضحة أدناه:
قياس قوة المجال المغناطيسي – Measurement of Magnetic Field Strength:
يمكن استخدام محول تأثير (Hall) كمحول مغناطيسي إلى كهربائي. هذا يعني أنّه يمكن استخدام محول الطاقة هذا لقياس المجال المغناطيسي. لقياس شدة المجال المغناطيسي، يتم إدخال لوحة شبه موصلة بشكل عمودي على المجال المغناطيسي. يعطي محول الطاقة جهد خرج يتناسب مع (B)، كثافة التدفق المغناطيسي.
ميزة هذا المحول لقياس المجال المغناطيسي هي أنّه يتطلب مساحة أقل، ومع ذلك، فإنّ العيب الرئيسي هو أنّ هذا النوع من المحولات حسّاس للغاية للتغيرات في درجات الحرارة. علاوةً على ذلك، أنتجت مواد مختلفة تأثيرات هول المختلفة (emf) “القوة الدافعة الكهربائية” وبالتالي فإنّ معايرة محول الطاقة الفردي مطلوبة إذا تمّ استخدام مواد مختلفة.
قياس الإزاحة – Measurement of Displacement:
يتم استخدام عنصر تأثير هول لقياس الموقع أو إزاحة عنصر هيكلي، أي أنّه يعمل بمثابة إزاحة غير مباشرة لموضع التمثيل أو محول طاقة قريب في حالة حدوث تغيير في الهيكل المغناطيسي الهندسي يؤدي إلى تغيير في شدة المجال المغناطيسي. وهو عبارة عن هيكل مغناطيسي حديدي له مغناطيس دائم. يتم وضع محول تأثير هول في الفجوة المجاورة للمغناطيس الدائم.
تتغير قوة المجال الناتجة عن المغناطيس الدائم مع اختلاف موضع الهيكل المغناطيسي الحديدي. بسبب التغيير في شدة المجال المغناطيسي، يتغير تأثير هول (emf) والذي يمكن معايرته بإزاحة اللوحة المغناطيسية الحديدية. بهذه الطريقة، يعمل كمستشعر لاستشعار إزاحة / موضع اللوحة.
قياس التيار – Measurement of Current:
يعد محول تأثير هول (Hall Effect Transducer) طريقة رائعة لقياس التيار المتدفق في الدائرة دون مقاطعة الدائرة فعليًا. في هذا التطبيق، لا يلزم الاتصال الفعلي بين الدائرة التي يتم قياس تيارها وأداة القياس. ما نحتاجه هو مجرد إحاطة عنصر الدائرة بأنبوب مغناطيسي حديدي وإدخال عنصر تأثير هول في فتحة الأنبوب الحديدي المغناطيسي. يسمّى هذا الأنبوب الحديدي المغناطيسي “بالمكثف المغناطيسي” حيث أنّ الغرض منه هو تركيز المجال المغناطيسي الناتج عن عنصر الدائرة الحاملة للتيار.
في محول تأثير هول، الموصل يحمل تيارًا “قد يكون تيار متردد أو تيار مستمر”. هذا التيار يخلق مجالًا مغناطيسيًا حوله. تتناسب قيمة هذا المجال المغناطيسي مع التيار ويعطيها قانون (Biot Savart). عندما يتم الاحتفاظ بعنصر (Hall Effect) عموديًا على المجال المغناطيسي في فتحة المكثف المغناطيسية الحديدية.
يتم إنتاج تأثير هول (emf) وإعطاءه بواسطة المعادلة (3) يتناسب حجم (emf) مع التيار المتدفق في الموصل، “حيث أنّ المجال المغناطيسي (B) الناتج عن عنصر الدائرة الحاملة للتيار يتناسب مع قيمة التيار المتدفق من خلاله”. وبالتالي، فإنّ (emf) المقاسة عبر محول تأثير هول يعطي حجم التيار المتدفق عبر الدائرة.
يمكن لمحول تأثير هول (Hall effect transducer) قياس التيار من بضعة ميلي أمبير “مللي أمبير” (mA) إلى آلاف الأمبير (A). إذا كانت قيمة التيار المراد قياسه أقل، فإنّ المكثف الحديدي المغناطيسي (ferro-magnetic concentrator) مطلوب. ومع ذلك، عندما يكون حجم التيار المراد قياسه كبيرًا، يمكن حذف المكثف المغناطيسي لأنّ المجال المغناطيسي الناتج عن تيار كبير سيكون كافياً للحصول على قيمة كبيرة لتأثير هول (emf).
