Der amerikanische Physiker Edwin Hall (1855-1938) entdeckte den Hall-Effekt im Jahr 1879.
Der Stromfluss bezeichnet die Bewegung elektrischer Ladungen. Wenn ein Leiter, durch den Strom fließt, in einem Magnetfeld platziert wird, erfahren die Ladungsträger die sogenannte Lorentzkraft.
Diese Ladungsträger sind normalerweise Elektronen, können aber auch Löcher in speziell dotierten Halbleitern sein. Elektronen oder Löcher bewegen sich mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit (Driftgeschwindigkeit) entlang des Leiters. Aufgrund der Lorentzkraft werden die Ladungsträger senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. Diese Ablenkung führt zu einem Überschuss an Elektronen auf einer Seite des Leiters und gleichzeitig zu einem Mangel auf der gegenüberliegenden Seite, ähnlich wie bei einem Kondensator. Dadurch entsteht eine Ladungstrennung.
Wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem homogenen Magnetfeld befindet – ein unsichtbares Gebiet um einen Magneten oder einen stromdurchflossenen Draht, das Dinge beeinflussen kann –, entsteht senkrecht zur Stromfluss- und Magnetfeldrichtung über dem Leiter eine Spannung, bekannt als HALL-Spannung. Diese Spannung wird wie folgt berechnet:
Die negativen und positiven Ladungsüberschüsse, die sich nun gegenüberstehen, erzeugen ein elektrisches Feld. Dieses Feld wirkt der Lorentzkraft entgegen und übt eine elektrische Kraft auf die Ladungsträger aus. Die Verstärkung der Ladungstrennung endet, wenn sich diese beiden Kräfte genau ausgleichen. Die resultierende Spannung wird als Hall-Spannung bezeichnet.
Die Hall-Spannung nimmt linear mit der Stärke des Magnetfelds zu und ist umgekehrt proportional zur Ladungsträgerdichte. Dies liegt daran, dass bei geringerer Ladungsträgerdichte nur eine höhere Geschwindigkeit der einzelnen Ladungen eine unveränderte Stromstärke gewährleisten kann. Schnellere Ladungsträger erfahren eine stärkere Lorentzkraft, wodurch die Hall-Spannung größer wird. Aufgrund der geringeren Ladungsträgerdichte in Halbleitern im Vergleich zu Metallen werden hauptsächlich Halbleiter als Hall-Sonden verwendet.
Im Falle von Ladungsträgern mit positiver Ladung (auch bei Löcherleitung) ist das Vorzeichen der Hall-Spannung umgekehrt im Vergleich zu Ladungsträgern mit negativer Ladung (Elektronen, …).
Wie funktioniert ein Hall-Effekt Messgerät bzw. Strommesszange
Hall-Effekt-Strommesszangen sind in der Lage, sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom bis in den Kilohertz-Bereich (1000 Hz) zu erfassen.
Diese speziellen Messinstrumente verwenden ähnlich wie Stromwandler starre Eisenbacken, um das Magnetfeld, das den zu messenden Leiter umgibt, zu fokussieren.
Im Gegensatz zu Stromwandlern sind die Backen nicht mit Kupferdrähten ummantelt. Stattdessen wird das Magnetfeld, das durch den Leiter erzeugt wird, durch einen oder mehrere Luftspalte im Kern konzentriert, nachdem die Klemmbacken um den Leiter gelegt wurden.
Besonders wichtig ist die Position, an der sich die Spitzen der Klemmbacken einer Hall-Effekt-Strommesszange berühren.
Innenansicht einer Strommesszangenspitze:
An der Stelle, an der sich die Spitzen der Klemmbacken einer Hall-Effekt-Strommesszange berühren, befindet sich ein schmaler Luftspalt, den das Magnetfeld (oder der magnetische Fluss) überwinden muss. Dieser Spalt begrenzt den magnetischen Fluss und verhindert eine Sättigung des Kerns.
Im Gegensatz dazu sind die Backen eines Wechselstrom-Stromwandlers ebenmäßig, wenn sie geschlossen sind. Bei geöffneten Backen sind die nicht isolierten Metallflächen der Zangenmessspitzen sichtbar.
In diesem schmalen Spalt, der von einem dünnen Kunststoffteil abgedeckt ist, befindet sich ein Halbleiter, auch als Hall-Effekt-Sensor bekannt. Dieser Sensor ändert seine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von den Magnetfeldern, insbesondere dem Magnetfeld, das der zu messende Strom im Leiter erzeugt. Der Sensor misst direkt den magnetischen Fluss. Die Ausgangsspannung des Sensors wird anschließend verstärkt und repräsentiert den Strom, der durch den Leiter innerhalb der Backen fließt.
Der Strom, der durch den zu messenden Leiter fließt, erzeugt einen magnetischen Fluss, der leichter als Luft durch die Backen der Hall-Effekt-Strommesszange hindurchgehen kann.
Wenn dieser magnetische Fluss den schmalen Luftspalt an den Spitzen der Backen erreicht, muss das Feld diesen Spalt überwinden. Da der Spalt sehr klein ist, wird das Feld über dem Spalt gebündelt. Der Hall-Effekt-Sensor, der sich im Spalt befindet, erzeugt eine Spannung, die proportional zum magnetischen Fluss im Spalt ist. Die Zange wandelt diesen Wert um und zeigt den gemessenen Stromwert an.
Auch Gleichstrommagnetfelder werden durch den Kern der Hall-Effekt-Geräte gebündelt, beispielsweise durch einen Permanentmagneten, der an Eisen befestigt ist. Vor der Messung müssen diese Zangen auf Null kalibriert werden, um eventuelle Verschiebungen aufgrund des Magnetfelds der Erde oder anderer Magnetfelder in der Nähe der Messstelle zu eliminieren.
Hall-Effekt Anwendung (Hall Sonden)
Hall-Sonden haben vielfältige Anwendungen, sei es als Kompass in Smartphones, zur Messung der Raddrehzahl für ABS-Systeme in Autos oder sogar zur Regulierung der Wassermenge in Kaffeemaschinen. Sie ermöglichen berührungslose Messungen der Stromstärke in Kabeln und können auch die Stärke sowie die Richtung von Magnetfeldern bestimmen.
Ein spezieller Anwendungsbereich des Hall-Sensors liegt in der Funktion von Lederhüllen für Mobiltelefone. Der Hall-Sensor dient hier als Magnetfeldsensor, der auf dem Hall-Effekt basiert.
Viele Mobiltelefone sind heutzutage mit Lederhüllen ausgestattet, die den Bildschirm automatisch ausschalten, wenn die Hülle geschlossen wird. Dies wird durch den Hall-Sensor ermöglicht.Wenn das Mobiltelefon einen Hall-Sensor und einen eingebauten Magneten in der Lederhülle besitzt, schaltet sich der Bildschirm ab, sobald die Hülle geschlossen wird. Sobald das Flip-Cover oder die Handyhülle geschlossen ist und die magnetische Komponente in der Nähe des Hall-Sensors ist, erkennt dieser das Signal und schaltet den Bildschirm aus oder wechselt in einen speziellen Fenstermodus. Andernfalls bleibt der Bildschirm eingeschaltet.
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