10-13-1 Explicación del
efecto Hall
El
efecto HaIl es el fenómeno en el que los portadores de carga que se mueven a
través de un campo magnetico son forzados hacia un lado ddel medio conductor.
Haga referencia a la figura 10-32, en la que se ilustra el efecto Hall para una
situación en la que el movimiento de los portadores de carga es perpendicular a
campo magnetico impuesto. En la parte (a), una corriente electrica sencilla
esta operando en un espacio Vacio de campos magnéticos. Se considera que la
corriente esta compuesta de
portadores de carga positiva que fluyen de arriba a abajo a través de una pieza
metalica plana. Note el hecho de que, en ausencia de un campo magnetico, los portadores de carga están distribuidos de manera uniforme
a través de lo ancho de la pieza metalica plana.
Sin embargo, si el circuito
electrico es operado en la
presencia de un campo magnetico, los portadores de caiga se agrupan en un lado de la pieza
plana. Esto se ilustra en el dibujo de la figura 10—32(b),
que indica la presencia de un campo magnetico apuntando hacia afuera de la
página. En ese dibujo, los portadores de carga positivos se congregan a la izquierda de la
pieza plana debido a las fuerzas ejercidas sobre ellas resultantes de la
interaccion del movimiento de las cargas y el flujo magnético. La magnitud de
una fuerza individual en un
portador de carga esta dada por la relación de Lorentz
F=qVB
En donde q s la carga, en coulombs. en un portador de carga individual:
v es la velocidad del portador de carga en metros por segundo: y B es la densidad de flujo magnético en
webers por metro cuadrado, o
teslas. La fuerza sale en
unidades bísicas SI de newtons. La dirección de la fuerza está dada por
la regla de la mano derecha para la interacción eléctrica y magnética, que
dice: con los dedos de la mano derecha, rotar el vector de movimiento
(velocidad) para alinearlo con el vector del campo B; el pulgar derecho
entonces apunta en la dirección de la fuerza interactiva. Verifique usted mismo
que la regla de la mano derecha indica las fuerzas interactivas a la izquierda
de la figura 10—32(b).
Debido a la alteración de la distribución normal de la carga en el metal, un
voltaje aparecerá entre los extremos izquierdo y derecho de la pieza plana. En
la figura 10—32(b), el voltaje será positivo en el
extremo izquierdo en relación con negativo en el extremo derecho. Trabajando
con la ecuación (10-7), puede mostrarse que la magnitud del voltaje de efecto
Hall está dada por
V = kIB
donde V es el voltaje entre los extremos, en volts; 1 es la
corriente en amperes; y B es la intensidad del campo magnético en Wb/m2,
o testas. La constante de proporcionalidad k depende del grosor de la
pieza metálica plana y la resistividad eléctrica del metal particular. La
existencia del voltaje de efecto Hall es señalada en la figura 10—32(c).
La pieza plana portadora de corriente no necesita ser de metal para que ocurra
el efecto Hall. Algunos transductores de efecto Hall usan un material
semiconductor para la pieza plana, y algunos usan un material cristalino de
alta resistividad. Sin embargo, la relación entre las tres variables V. 1 y
B nunca cambia. Mientras las líneas de flujo del campo B sean
perpendiculares a la cara plana, la ecuación (10-8) sigue siendo válida: el
voltaje es proporcional al producto de la corriente y la intensidad del campo.
Generalmente, el voltaje de efecto Hall es bastante pequeño. Los transductores
construidos bajo el principio del efecto Hall generalmente deben contener un
amplificador de alta ganancia. Por ejemplo, si la tira plana fuera hecha de
cobre del mismo grosor que un alambre AWG núm. 18 (aproximadamente
10-13-2 Detector de proximidad
de efecto Hall
En
la automatización industrial, a veces es deseable detectar la presencia de un
objeto sin tener que tocarlo. Un detector de proximidad magnético puede
lograr esto. Un pequeño imán permanente es sujeto al objeto móvil, y se monta
un detector magnético de efecto Hall de manera que el flujo del imán incida en
la superficie del detector cuando el objeto se acerque. La construcción del
circuito de un detector magnético de proximidad de efecto Hall se muestra en la
figura 10—33. Este circuito completo, incluyendo la pieza
conductora plana, está disponible como un circuito integrado. Tiene una dimensión superficial de unos 7 X
10-13-3 Transductor de potencia
de efecto Hall
El
efecto Hall es inherentemente un fenómeno de multiplicacion. I multiplicado por B. Gracias a esto, el efecto HaIl se presta para la
construcción de transductores de potencia eléctrica, ya que la potencia electrica tambien es un concepto de
multiplicacion. I multiplicado por V. Para construir tal
transductor, deben resolverse dos cosas:
1. La corriente I a través del conductor plano debe ser proporcional a la
corriente en el circuito en medición.
2. La intensidad del campo magnetico debe ser proporcional al voltaje en el
circuito de medición. En un circuito de ca, estas relaciones pueden conseguirse
usando un transformador de corriente (un transformador de voltaje estándar)
para excitar la bobina del electroimán que produce el campo B. Este arreglo se
presenta en la figura 10—34.
La forma de onda del voltaje de
efecto Hall obtenida del transductor de la figura 10—34
consiste en un componente de CD superpuesto sobre un componente alternante al
doble de la frecuencia de la línea. Esto es parecido a la forma de onda producto
de un rectificador de onda completa. Si la variable medida es la potencia
promedio del circuito, el componente alternante es filtrado y el componente de
CD representa el valor medido. Si la variable
de interés es la potencia
instantánea del circuito,
entonces el voltaje de salida instantáneo
representa el valor medido. En
cualquier caso, el transformador
de corriente, el transformador
de potencial y el electroimán deben estar cuidadosamente
diseñados para que cualquier corimiento
de fase entre la corriente y el voltaje
sea correspondido por un
corrimiento de fase igual entre la corriente y el campo magnético en el conductor plano.
Algunos sistemas industriales modernos basados en una microcomputadora
usan la potencia instantánea máxima
de un circuito como un parámetro de toma de decisiones. Esto generalmente se
logra haciendo que la
microcomputadora tome muestras muy rápidamente del voltaje instantáneo de salida de un transductor de efecto Hall.
En algunos diseños de
transductores, los papeles de la corriente y el voltaje del circuito son
invertidos. Es decir, la corriente del circuito es usada para establecer un campo
magnético proporcional de efecto Hall y
el voltaje del circuito se usa para producir una corriente proporcional de
efecto Hall en el conductor plano.
10-13-4
Medidor de flujo de efecto Hall
Algunos
líquidos y gases están estructurados químicamente de tal manera que contienen
portadores de carga libres. Los portadores de carga no son partículas
subatómicas individuales, como es el caso de los sólidos. En cambio, los
portadores de carga son átomos enteros o componentes moleculares que tienen un
desequilibrio de carga neto. Tales piezas de materia cargadas generalmente se
llaman iones. Si un líquido o gas contiene iones, su velocidad a
través de un tubo puede medirse usando el efecto Hall. Es más, dada el área de
sección transversal del tubo, hay una correspondencia directa entre velocidad y
razón de flujo. Por tanto, un aparato de efecto Hall se puede calibrar para
leer en unidades tanto de flujo volumétrico corno de velocidad, según se
prefiera.
En la figura 10—35 se dibuja un transductor de
flujo de fluido de efecto Hall. Se establece un campo magnético de intensidad
constante a través del espacio ocupado por el tubo. A medida que pasan los
iones a través del campo B, son desviados por la fuerza
interactiva eléctrica y magnética. Para la orientación magnética y la dirección
de flujo mostradas en la figura 10—35, los iones positivos
libres se congregarán cerca de la parte superior del tubo, y los iones
negativos libres cerca de la parte inferior del tubo. Aparece por tanto un
voltaje de efecto Hall entre el electrodo superior y el inferior insertado a
través de las paredes del tubo. Para un valor dado de B y un valor
constante de densidad jónica, la magnitud de este voltaje puede ser relacionado
proporcionalmente a la velocidad del fluido.
Comparado con un medidor de flujo de tipo mecánico. un medidor de flujo de
efecto Hall es superior en cuanto a que casi no se extrae energía del fluido en
movimiento.