Để đo các đơn vị điện như vôn, ampe hay watt thì khá là quen thuộc và dễ dàng với mỗi chúng ta. Nhưng bạn đã bao giờ nghe đến đo từ tính chưa? Bạn có thể biết đến từ tính xung quanh một cục nam châm nhưng để đo được cường độ từ tính xung quanh nó thì lại là một việc khá phức tạp.

Năm 1879 nhà vật lý người Mỹ Edwin H.Hall (1855-1938) phát triển một cảm biến lấy tên của ông, cảm biến Hall có khả năng dò được hiệu ứng hall. Phát minh của ông đã đi trước thời đại rất nhiều năm, đến tận 20 năm sau họ mới phát hiện ra electron. Chúng ta hãy cùng xem xét cảm biến Hall một cách kỹ hơn.

Hiệu ứng Hall là gì?

Điện và từ trường là khởi nguồn của nhiều loại máy móc hiện đại ngày nay, đơn giản như những động cơ điện, loa đài, tai nghe và rất rất nhiều thứ khác. Để làm quay một động cơ điện, chúng ta cho dòng điện chạy qua một cuộn dây đồng để tạo ra từ trường xung quanh cuộn dây, kết hợp với một nam châm vinh cửu tạo ra chuyển động quay tròn cho động cơ đó. Từ trường sinh ra bởi cuộn dây ảnh hưởng lực hút hoặc đẩy đối với nam châm vĩnh cửu.

Bản thân các electron khi di chuyển tạo ra từ trường của riêng nó. Nếu bạn nối một vật liệu dẫn điện vào hai đầu cực của một cục pin thì các electron sẽ di chuyển theo đường thẳng từ cực âm sang dương, còn nếu đặt vào trong một từ trường của một nam châm vĩnh cửu thì từ trường tạo ra bởi các electron sẽ bị ảnh hưởng bởi từ trường của nam châm vĩnh cửu và từ đó hướng di chuyển của các electron sẽ từ thẳng thành cong. Và lực khiến chúng bị cong đi gọi là lực Lorentz. Và vì thế, một mặt của vật liệu dẫn điện sẽ có nhiều electron hơn so với mặt kia và tạo nên một sự chênh lệch hiệu điện thế. Từ trường càng lớn thì hiệu điện thế lệch càng nhiều, dòng điện càng lớn thì càng có nhiều electron bị lệch. Và đó được gọi là hiệu ứng Hall, điện áp bị lệch được gọi là điện áp Hall.

“ Nếu dòng điện trong một dây dẫn cố định bị nam châm hút, thì dòng điện phải được kéo sang một phía của dây dẫn ”- Edwin Hall, 1879

Hiệu ứng Hall hoạt động như thế nào?

1. Khi dòng điện chạy qua vật liệu dẫn điện, các electron di chuyển theo một đường thẳng.
2. Đặt vật liệu trong từ trường và cho dòng điện chạy qua. Một lực tác dụng lên chúng làm cho chúng lệch khỏi đường thẳng ban đầu. Đó là lực Lorentz
3. Nhìn chung, trong ví dụ này dòng electron sẽ bị uống cong như hình vẽ. Với nhiều electron hơn ở bên phải của vật liệu và nó tạo nên sự khác biệt về hiệu điện thế giữa hai bên. Độ lớn của hiệu điện thế này tỉ lệ thuận với độ lớn của dòng điện và cường độ từ trường.

Hướng đi của các electron?

Làm thế nào để tìm ra hướng chuyển động của các electron? Bạn có thể sử dụng quy tắc bàn tay trái của Fleming để tính ra được lực Lorentz và hướng đi của các electron

Tác dụng của hiệu ứng hall đến việc chế tạo cảm biến từ trường

Bạn có thể phát hiện và đo lường tất cả mọi thứ với hiệu ứng Hall nhờ vào cảm biến Hall hoặc đầu dò hiệu ứng Hall.

• Cảm biến Hall là các con chip điện tử đơn giản, rẻ tiền được sử dụng trong đa số các loại thiết bị điện tử, sản phẩm hiện nay.
• Đầu dò hiệu ứng Hall lại tương đối đắt tiền và cấu tại phức tạp hơn bởi yêu cầu khắt khe hơn về độ chính xác. Nên nó thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm khoa học để đo cường độ từ trường với độ chính xác cao.

Các cảm biến Hall thường được làm từ chất bán dẫn và hoạt động bằng cách đo điện áp trên hai mặt của vật liệu bán dẫn đó khi chúng được đặt vào từ trường. Các cảm biến Hall thường được sản xuất thành các con chip tiện lợi, có thể gắn vào các mạch điều khiển một cách dễ dàng. Ví dụ, bạn đặt một cảm biến Hall lên khung cửa và một nam châm lên cánh cửa, và cảm biến sẽ xác nhận cho bạn là cửa đang đóng hay mở khi có từ trường. Thiết bị này được gọi là cảm biến tiệm cận.

Cảm biến Hall sử dụng vào việc gì??

Các cảm biến Hall giá rẻ, nhỏ gọn, dễ sử dụng và rất đáng tin cậy. Vì thế bạn có thể tìm thấy ở rất nhiều máy móc hoặc các thiết bị hàng ngày, từ đánh lửa trong ô tô đến bàn phím máy tính và cả robot trong nhà máy.

Dưới đây là một vài ví dụ phổ biến. Trong động cơ không chổi than, bạn cần phải xác định được chính xác vị trí của động cơ bất kỳ lúc nào. Cảm biến Hall được đặt gần rotor và nó có thể phát hiện được chính xác hướng quay của động cơ bằng cách đo các biến thể trong từ trường.

Phải mất vài thập kỷ, khám phá mang tính cách mạng này của Edwin Hall mới bắt đầu được ứng dụng thành công, nhưng bây giờ nó được sử dụng ở khắp mọi nơi, mọi lúc mọi thiết bị điện tử mà chúng ta có, ngay cả trong động cơ tên lửa vũ