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Definición:
El transductor de efecto Hall es un dispositivo que se utiliza para medir la intensidad del campo magnético. Este transductor utiliza una tira conductora para convertir el campo magnético en una diferencia de potencial proporcional en las caras opuestas de la tira mediante el efecto Hall.
Principio de funcionamiento:
El principio de funcionamiento del transductor de efecto Hall se basa en el efecto Hall. El efecto Hall es básicamente el proceso de desarrollo de la diferencia de potencial entre las dos caras de una tira portadora de corriente cuando la tira se mantiene en un campo magnético. La magnitud del voltaje depende de la corriente, la fuerza del campo magnético y la propiedad del material conductor. El efecto Hall se encuentra en materiales conductores y semiconductores en cantidades variables según la densidad y la movilidad del portador de corriente.
Consideremos la siguiente figura. Esta figura explica el principio de funcionamiento del transductor de efecto Hall.
En la figura anterior, una tira conductora se mantiene en un campo magnético transversal. Tenga en cuenta que la corriente a través de la tira y el campo magnético son perpendiculares entre sí. Flujo de corriente significa el flujo de cargas positivas en la dirección de la corriente. Esto significa que el campo magnético ejercerá una fuerza sobre las cargas positivas en movimiento según F = q(vXB) donde v & B son la velocidad y la fuerza del campo magnético. v & B están en forma vectorial.
Dado que v y B son perpendiculares entre sí, la magnitud de la fuerza sobre las cargas positivas en movimiento será
F = qvB
La dirección de la fuerza F será perpendicular tanto a v como a B según la ley del producto vectorial de dos vectores. Básicamente, esto significa que F se dirigirá desde el borde 3 al 4 en la figura anterior.
Debido a esta fuerza sobre las cargas positivas, estas cargas seguirán acumulándose en la cara 3 que a su vez creará un Campo Eléctrico. La dirección del campo eléctrico será opuesta a la dirección de F, es decir, desde el borde 3 al 4. Por lo tanto, después de algún tiempo, la magnitud de la fuerza ejercida por el campo eléctrico E y F será igual y, por lo tanto, no habrá más movimiento de los cargos.
qE = F (qE es la fuerza sobre la carga positiva debido al campo eléctrico)
qE = qvB
E = mB
Debido a la disposición del campo eléctrico E en la tira conductora entre los bordes 3 y 4, se producirá una diferencia de potencial en esta cara. Suponiendo que el grosor de la tira sea “t”, la fuerza de la diferencia de potencial entre 3 y 4 se da como
EH = Et
= vBt …….(1)
Dado que la densidad de corriente a través de un material es directamente proporcional a la velocidad de los portadores, por lo tanto
v = KHJ ……..(2)
donde J es la corriente a través de la tira y KH es una constante de proporcionalidad llamada Coeficiente de Efecto Hall. Pero J = I/A donde A es el área superficial, por lo tanto,
J = I/t2
Por lo tanto, a partir de la información (2),
v = KHI / t2
De la información (1),
EH = (KHIB) / t ……..(3)
La expresión anterior da el voltaje desarrollado debido al efecto Hall. Este voltaje se denomina fem de efecto Hall y se utiliza para medir la magnitud de la corriente o la intensidad del campo magnético.
La magnitud de la fem del efecto Hall es muy pequeña en los conductores y, por lo tanto, muy difícil de medir. Sin embargo, su valor es bastante suficiente en semiconductores y puede medirse fácilmente con instrumentos sensibles de bobina móvil.
Aplicación del transductor de efecto Hall:
Las principales aplicaciones del transductor de efecto Hall se describen a continuación:
Medición de la fuerza del campo magnético:
El transductor de efecto Hall se puede utilizar como transductor magnético a eléctrico. Esto significa que este transductor se puede utilizar para medir el campo magnético. Para medir la intensidad del campo magnético, se inserta una placa semiconductora perpendicular al campo magnético. El transductor da un voltaje de salida proporcional a B, la densidad de flujo magnético.
La ventaja de este transductor para medir el campo magnético es que requiere menos espacio, sin embargo, la principal desventaja es que este tipo de transductor es muy sensible a los cambios de temperatura. Además, diferentes materiales produjeron diferentes fem de efecto hall y, por lo tanto, se requiere la calibración del transductor individual si se utilizan diferentes materiales.
Medida de Desplazamiento:
El elemento de efecto Hall se utiliza para medir la ubicación o el desplazamiento de un elemento estructural, es decir, sirve como transductor de proximidad o de desplazamiento de posición de acción indirecta en caso de que un cambio en la estructura magnética de la geometría provoque un cambio en la intensidad del campo magnético. La siguiente figura muestra una estructura ferromagnética que tiene un imán permanente. El transductor de efecto Hall se coloca en el espacio adyacente al imán permanente.
La fuerza de campo producida por el imán permanente cambia a medida que varía la posición de la estructura ferromagnética. Debido al cambio en la intensidad del campo magnético, la fem de efecto Hall cambia y se puede calibrar con el desplazamiento de la placa ferromagnética. De esta manera, funciona como un sensor para detectar el desplazamiento/posición de la placa.
Medida de corriente:
El transductor de efecto Hall es una excelente manera de medir la corriente que fluye en un circuito sin interrumpir el circuito. En esta aplicación, no se requiere una conexión real entre el circuito cuya corriente se va a medir y el instrumento de medición. Lo que necesitamos es simplemente rodear el elemento del circuito con un tubo ferromagnético e insertar un elemento de efecto Hall en la ranura del tubo ferromagnético. Este tubo ferromagnético se llama concentrador magnético porque su propósito es concentrar el campo magnético creado por el elemento del circuito que transporta corriente. La siguiente figura muestra una aplicación típica de medición de corriente del transductor de efecto Hall.
En la figura anterior, el conductor transporta corriente (puede ser CA o CC). Esta corriente crea un campo magnético a su alrededor. El valor de este campo magnético es proporcional a la corriente y está dado por Ley de Biot Savart. Cuando un elemento de efecto Hall se mantiene perpendicular al campo magnético en la ranura del concentrador ferromagnético, se produce una fem de efecto Hall y está dada por (3). La magnitud de la fem es proporcional a la corriente que fluye en el conductor (ya que el campo magnético B creado por el elemento del circuito que transporta corriente es proporcional al valor de la corriente que fluye a través de él). Por lo tanto, la fem medida a través del transductor de efecto Hall da la magnitud de la corriente que fluye a través del circuito.
El transductor de efecto Hall puede medir la corriente desde unos pocos miliamperios (mA) hasta miles de amperios (A). Si el valor de la corriente a medir es menor, entonces se requiere un concentrador ferromagnético. Sin embargo, cuando la magnitud de la corriente a medir es grande, se puede omitir el concentrador magnético ya que el campo magnético creado por la corriente grande será suficiente para tener un valor significativo de fem de efecto Hall.
El transductor de efecto Hall también se utiliza para medir la potencia.
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