Эффект Холла

ГУО «Белорусский государственный университет »

Физический факультет

 

   

 

 

 

 

  Реферат по  теме

 «Эффект Холла»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Подготовила  студентка пятой группы четвертого  курса

    Пальчик  Анна Сергеевна

    Специальность: ядерная физика и технологии

 

Минск, 2012

Оглавление

 

1.ЭФФЕКТ ХОЛЛА2

2.СПОСОБ И УСТРОЙСТВО  ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ  В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.4

3.ДАТЧИК-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ  БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ  НА ГАЗООБРАЗНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА  (патент № 2413088)7

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Эффект Холла.

Эффект, открытый американским физиком Эдвином Гербертом  Холлом в 1879 году, заключается в явлении  возникновения поперечной разности потенциалов в полупроводнике, по которому протекает электрический  ток и существует магнитное поле Н, перпендикулярное направлению тока.

Физическая природа  эффекта Холла заключается в  том, что на движущийся носитель тока в магнитном поле с индукцией В действует сила Лоренца

, Н,                                         

где v –скорость носителя; q – его заряд.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой  руки. Если проводник n-типа проводимости, то электроны будут смещаться влево к внешней стороне пластины, заряжая её отрицательно (рис. 1).

В полупроводника p-типа проводимости при том же направлении тока сила Лоренца будет смещать дырки в том же направлении. При этом левая внешняя сторона пластинки зарядится положительно.

Если угол между  вектором скорости носителей v  и вектором магнитной  индукции B равен 90^о, то величина силы Лоренца рассчитывается по формуле

F_л=qvB,                                                       

где v – средняя дрейфовая скорость носителей заряда, м/c.

Электрическое поле  между поперечными гранями пластинки равно

, В/м,                                                  

где U_х » (0,6…1)·10^-4 В - разность потенциалов между поперечными гранями пластинки, называемая эдс Холла; а – ширина пластинки. 

Поле Е_х действует на электроны с силой F=-qE_х, направленной против силы Лоренца F_л. При выполнении условия F_л=F поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается. Тогда из равенства qvB=qE_х следует E_х=vB. Дрейфовая скорость носителей тока определяется из выражения

,                                                          

где j – плотность тока, А/м², n – концентрация электронов, м^-3,

Тогда выражение  для  поля Е_х приобретает вид

.                                                    

Умножив обе части  равенства на ширину пластинки а, получаем формулу для эдс Холла

, В.                                                    

Последняя формула обычно записывается в виде

,                                                    

где   – коэффициент Холла, м³/Кл.

С учетом разброса средней скорости дрейфа электронов в полупроводнике значение коэффициента Холла определяется из выражения

,                                              

где А=1,18 для полупроводников с преимущественным рассеянием носителей заряда на тепловых колебаниях кристаллической решетки; А=1,93 при рассеянии на ионизированных примесях.

Для дырочных полупроводников  коэффициент Холла рассчитывается по формуле 

,                                             

где q и p –заряд и концентрация дырок, соответственно.

При смешенной  электронно-дырочной проводимости величина коэффициента Холла рассчитывается по формуле

,                                             

где μ_n и μ_p – подвижности электронов и дырок, соответственно.

В собственных полупроводниках при выполнении условия n_i=p_i значение коэффициента Холла равно 

 

.                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.

Изобретение относится к  электротехнике и электроэнергетике  и может быть использовано для  защиты электрических сетей и систем от аварий и перегрузок. Данный способ ограничения тока короткого замыкания в электрических сетях заключается в том, что при превышении номинального тока в сети удержание импульса тока короткого замыкания токоограничителем производят в две стадии, на первой из которых осуществляют быстрое ограничение ударного тока короткого замыкания за время T₁ многоэлементным сопротивлением с активным элементом, основанным на эффекте Холла с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а на второй стадии осуществляют поддержание номинального тока короткого замыкания в течение времени Т₂ многоэлементным сопротивлением с активным элементом с положительным температурным коэффициентом сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Обе стадии ограничения производят при выравнивании напряжения. Время Т₁ выбрано не более 2 мс, а время Т₂ выбрано не менее 500 мс. Заявляемое устройство ограничения тока короткого замыкания в электрической сети содержит два токоограничителя, первый из которых состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных полупроводниковых магниторезисторов, активный элемент каждого из которых выполнен в виде диска Корбино из полупроводникового материала n-типа A^IIIB^V, расположенных внутри соленоида, а второй токоограничитель состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных резисторов, активный элемент каждого из которых выполнен из материала с положительным коэффициентом температурного сопротивления. Техническим результатом является увеличение скорости переключения, уменьшение потерь мощности в сетях в номинальном режиме и формирование заданной формы импульса тока короткого замыкания.

В настоящее время для  ограничения токов короткого  замыкания КЗ в энергосистемах наиболее часто используется секционирование  сети, установка линейных токоограничивающих реакторов, а также применение в  качестве активных элементов резисторов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Существующие ограничители токов КЗ на основе индуктивных элементов имеют ряд принципиальных недостатков. Основным из них является то, что введение индуктивного элемента в энергетические сети снижает эффективность передачи энергии, поскольку компенсация дополнительной реактивной составляющей в электрических сетях требует дополнительных затрат мощности. Кроме того, энергия, накопленная в индуктивном ограничителе при КЗ в цепи, создает сложности при отключении линии коммутационным аппаратом.

При создании данного изобретения решалась задача создания комбинированного способа и устройства с безынерционным управлением параметрами тока в течение длительного времени (не менее ~0,5 с) ограничения тока КЗ. Кроме того, решалась задача снижения затрат на изготовление и эксплуатацию ограничителя тока многоразового действия, отрабатывающего несколько циклов с ограничением ударного тока до амплитуды порядка 18 величин и с ограничением номинального тока КЗ до амплитуды порядка 7 величин от номинального тока при напряжении в сети от 10 кВ до 1000 кВ.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение скорости переключения, уменьшение потерь мощности в сетях в номинальном режиме и формирование импульса тока КЗ заданной формы.

Указанный технический  результат достигается тем, что  по сравнению с известным способом ограничения тока короткого замыкания  в электрических сетях путем  ввода токоограничителя при превышении номинального тока в сети в рассматриваемом  способе производят удержание импульса тока короткого замыкания токоограничителем  в две ступени, на первой из которых  осуществляют быстрое ограничение  ударного тока короткого замыкания  за время T₁ многоэлементным сопротивлением с активными элементами, основанными на эффекте Холла с нелинейной вольт-амперной характеристикой, а на второй ступени осуществляют поддержание номинального тока короткого замыкания в течение времени Т₂ многоэлементным сопротивлением с активными элементами с положительным температурным коэффициентом сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой, причем на обеих ступенях ограничение производят при выравнивании напряжения. Время T₁ на первой ступени выбрано не более 2 мс, а время T₂ на второй ступени выбрано не менее 500 мс.

Указанный технический  результат достигается также  тем, что в рассматриваемом устройстве первый токоограничитель состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных полупроводниковых магниторезисторов, твердотельный активный элемент каждого из которых выполнен в виде диска Корбино из полупроводникового материала n-типа A^IIIB^V, расположенных внутри соленоида, а второй токоограничитель состоит, по меньшей мере, из двух зашунтированных терморезисторов, твердотельный активный элемент каждого из которых выполнен из материала с положительным коэффициентом температурного сопротивления (ПТКС).

При решении  задачи ограничения тока в линиях электропередач в течение времени  ограничения импеданс ограничителя сопоставим или больше импеданса  нагрузки. Использование резисторов предполагает передачу в тепло значительной части мощности в течение времени  ограничения. Рассеяние большой  мощности в виде тепла сложно технически и нецелесообразно экономически. Поэтому резисторы с активными  элементами с нелинейной вольт-амперной характеристикой могут быть использованы в ограничителях тока в линиях электропередач большой мощности как элементы, позволяющие осуществить мягкое протекание процессов в сети.

На первой ступени осуществляют безынерционное включение и быстрое ограничение ударного тока КЗ активным элементом, например, из поликристаллического антимонита индия. Это вещество является магниторезистивным материалом, рост сопротивления в котором зависит от величины магнитного поля, приложенного к веществу. Ограничение тока в нем может происходить практически мгновенно. При наличии магнитного поля поперечная проводимость этих материалов снижается примерно на два порядка. Причиной увеличения поперечной проводимости является изменение под действием магнитного поля линий тока, из прямых радиальных в диске Корбино в спиралевидные. Зависимость поперечной проводимости от напряженности поля квадратичная. Соленоид целесообразно питать током цепи, поскольку при этом обеспечивается положительная обратная связь при протекании тока из безынерционного элемента в резистор рассеяния. Однако эти элементы не могут обеспечивать рассеяние мощности длительное время. Поэтому необходима вторая ступень медленного (теплового) ограничения и поддержание номинального тока короткого замыкания. На этой ступени использованы терморезисторы с ПТКС, например керамика из легированного редкоземельными металлами титаната бария или легированной хромом окиси ванадия, а также полимеры с проводящим углеродным наполнителем. При протекании тока в эти элементах происходит омический разогрев. При достижении температуры 80-100°С сопротивление пластинки резко увеличивается и приводит к падению тока через элементы. К максимуму тока элементы переходят в плохо проводящее состояние. В течение относительно короткого времени в элементах рассеивается омическая мощность до 30 МВт. Поэтому на этой стадии для поддержания номинального тока КЗ эти материалы наиболее пригодны. Кроме того, целесообразно обе ступени ограничения производить с выравниванием напряжения. Для этого выполнено параллельное подсоединение шунтирующих резисторов. Это предотвращает перегрев активного элемента и, как следствие, рост напряжения в нем. Если, например, одна пластина с ПТКС начнет переходить в диэлектрическое состояние, то часть тока пойдет через шунтирующий резистор, тем самым уменьшив дальнейший разогрев пластины. Такая многосекционная система обладает большой устойчивостью по отношению к неоднородностям материала.

Время Т₁ на первой ступени выбрано не более 2 мс, а время T₂ на второй ступени выбрано не менее 500 мс. Это обусловлено тем, что при протекании ударного тока КЗ за время T₁ более двух миллисекунд может произойти разрушение оборудования, а время Т₂ не менее 500 мс необходимо для срабатывания защитных устройств. При отсутствии ограничения ударный ток короткого замыкания может более чем в 100 раз превысить номинальный ток. Ограничение ударного тока КЗ значением 18 номинальных токов (2,55 I_кзу 18I_ном) предотвращает разрушение оборудования. Затем осуществляется поддержание тока КЗ на уровне 7I_ном в течение времени T₂.

Магниторезистивный  ограничитель тока включается практически  мгновенно и позволяет ограничить ток короткого замыкания до требуемых  значений. Однако удержание тока КЗ в течение длительного времени (Т₂) приводит к рассеянию большой энергии в ограничителе (до 50 МДж для линии 10 кВ/1 кА), поэтому требуется большой объем активного элемента. Вследствие высокой стоимости полупроводниковых элементов стоимость ограничителя тока резко возрастает. Тепловой ограничитель инерционен - ему требуется время для разогрева активного элемента. Активное вещество теплового ограничителя тока очень дешевое (например, полиэтилен с сажей), поэтому использование его на стадии удержания снижает стоимость ограничителя. Таким образом, наиболее оптимальным способом является рассматриваемый комбинированный способ ограничения, в котором на первой ступени происходит быстрое ограничение тока магниторезистивными элементами, а удержание его в течение длительного времени - тепловыми элементами.

 

 

 

3.ДАТЧИК-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА ГАЗООБРАЗНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА (патент № 2413088)

Изобретение относится к  области двигателестроения, в частности  к системам зажигания бензиновых двигателей, работающих на газообразных видах топлива. Датчик-распределитель бензиновых двигателей, работающих на бензине и газообразных видах  топлива, содержит корпус, два датчика  Холла (1, 2), экран (3) с прорезями (согласно числу цилиндров), центробежный и  вакуумный автоматы для изменения  угла опережения зажигания (УОЗ), ротор (4), крышку (5), реле (7), микросхему (8). Один датчик Холла (1) выполнен с возможностью выдачи сигналов для искрообразования, соответствующих оптимальному УОЗ при работе двигателя на бензине. Второй датчик Холла (2) выполнен с возможностью выдачи сигналов для искрообразования, соответствующих оптимальному УОЗ при работе двигателя на газообразных видах топлива. Датчики Холла подключены к микросхеме через реле с возможностью отключения первого датчика (1) при включении второго (2). Второй датчик Холла (2) может располагаться на корпусе, через (180 -   /2)° от первого (1) по ходу вращения экрана, где   º - разность между оптимальными УОЗ при работе двигателя на бензине и на газообразных видах топлива. Технический результат заключается в обеспечении автоматической коррекции оптимального УОЗ при работе двигателя на бензине и на газообразных видах топлива, уменьшении расхода топлива, интенсивности изнашивания и содержания вредных веществ в отработанном газе.