Главная / Полезная информация / Эффект Холла

Эффект Холла: напряжение Холла, датчики и измерение тока и магнитного поля

Опубликовано: 2026-10-22 · Интермера

Эффект Холла — это появление поперечного напряжения в проводнике с током, если его поместить в магнитное поле, перпендикулярное току. Напряжение Холла пропорционально силе тока и магнитной индукции, а его знак зависит от того, какие носители заряда переносят ток. Эффект открыл американский физик Эдвин Холл в 1879 году. Сегодня на нём работают датчики Холла — бесконтактные измерители магнитного поля, тока, положения и скорости, от токовых клещей до стиков игровых геймпадов.

Ниже — как возникает эффект Холла простыми словами, формула напряжения Холла, устройство датчика, где его применяют, как с его помощью измеряют ток и как снимают эффект Холла на образце в лаборатории.

Эффект Холла простыми словами

Ток в проводнике — это направленное движение носителей заряда: в металлах электронов, в полупроводниках электронов или дырок. Если поперёк тока приложить магнитное поле, на каждый движущийся заряд действует сила Лоренца. Она направлена перпендикулярно и скорости заряда, и полю, поэтому носители отклоняются к одной из боковых граней пластины.

На одной грани заряды накапливаются, на противоположной их становится меньше. Между гранями появляется поперечное электрическое поле, и оно тормозит дальнейшее смещение. Когда сила этого поля уравновешивает магнитную силу, наступает равновесие: носители снова идут вдоль пластины, а между гранями остаётся постоянная разность потенциалов. Это и есть напряжение Холла.

Как открыли эффект Холла

В 1879 году Эдвин Холл работал над докторской диссертацией в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе. Он рассуждал так: если магнит действует именно на ток, а не на сам провод, ток должен прижиматься к одной стороне проводника. В опытах с тонкими пластинками золота Холл измерил крошечную разность потенциалов на краях образца. Результат он опубликовал в статье «О новом действии магнита на электрические токи».

Это было за 18 лет до открытия электрона, поэтому само измерение считают выдающимся экспериментом. Позже эффект Холла дал первое прямое доказательство, что ток в большинстве металлов переносят отрицательно заряженные электроны, а в некоторых веществах, особенно в полупроводниках p-типа, удобнее говорить о положительных дырках.

Формула напряжения Холла

Для проводника с одним типом носителей напряжение Холла выражается простой формулой:

V_H = I·B / (n·t·e),

где I — сила тока через пластину, B — индукция магнитного поля, n — концентрация носителей заряда, t — толщина пластины вдоль поля, e — элементарный заряд.

Свойство материала описывает коэффициент Холла — отношение поперечного электрического поля к произведению плотности тока и индукции:

R_H = V_H·t / (I·B) = 1 / (n·e).

Из формулы видно главное для практики:

• напряжение растёт пропорционально току и полю, поэтому датчик Холла линеен по полю;
• чем тоньше пластина, тем больше напряжение;
• чем меньше концентрация носителей, тем больше напряжение. В металлах носителей очень много, и эффект Холла в них крошечный. В полупроводниках носителей намного меньше, поэтому элементы Холла делают из арсенида галлия (GaAs), арсенида и фосфида индия (InAs, InP), антимонида индия (InSb), а также из графена;
• знак напряжения показывает тип носителей: у электронов и дырок он противоположный.

В полупроводниках, где ток переносят одновременно электроны и дырки, формула сложнее: в неё входят обе концентрации и подвижности носителей. Поэтому по эффекту Холла как раз и определяют концентрацию и подвижность носителей в полупроводниковой технологии.

Как устроен датчик Холла

Датчик Холла — измерительный преобразователь магнитного поля. Через тонкий элемент Холла пропускают постоянный ток смещения, а электроды на боковых сторонах снимают напряжение, пропорциональное составляющей поля, перпендикулярной пластине. Сигнал очень мал, поэтому без усилителя датчик не работает. Массовым он стал только с появлением дешёвых кремниевых микросхем: теперь элемент и усилитель находятся в одном корпусе, а в некоторых моделях есть ещё АЦП и цифровой интерфейс I²C.

Линейные датчики и переключатели

• Линейный датчик выдаёт сигнал, пропорциональный полю: аналоговое напряжение, ШИМ или код по цифровой шине. Без поля выход обычно равен половине напряжения питания.
• Переключатель Холла сравнивает поле с порогом и выдаёт два состояния — «есть магнит» и «нет магнита». Чтобы выход не дребезжал, в микросхему встраивают гистерезис, как у триггера Шмитта. Бывают униполярные, омниполярные и биполярные переключатели, а также «защёлки».

Что важно знать о датчиках Холла

• Датчик реагирует и на постоянное, и на переменное поле. Индуктивный датчик замечает только изменение поля.
• Напряжение Холла зависит от температуры, у элемента есть смещение нуля и дрейф во времени.
• Полоса частот практических датчиков — до сотен килогерц, у серийных кремниевых обычно 10–100 кГц.
• Датчик чувствует посторонние поля, даже поле Земли — поэтому его используют как электронный компас. Для точных измерений ставят магнитный экран или дифференциальную схему из двух элементов, которая вычитает внешнее поле.
• Механического износа нет, а в герметичном корпусе датчик не боится пыли, грязи и воды.

Где применяют датчики Холла

Эффект Холла в геймпаде и клавиатуре

Стик на потенциометрах изнашивается механически: ползунок трётся о резистивную дорожку. В стике на эффекте Холла к ручке прикреплён магнит, а датчик Холла измеряет его смещение без контакта. Трущихся деталей нет, поэтому такие стики служат дольше, а положение передают с высоким разрешением и малой задержкой.

Идея не новая. Клавиатуры с переключателями Холла разработали в компании Honeywell ещё в конце 1960-х. Из-за высокой цены их долго ставили только туда, где важна надёжность, — например, в аэрокосмическую технику. Sega использовала датчики Холла в контроллерах для Saturn и Dreamcast в 1990-х, но массово стики на эффекте Холла распространились только с начала 2020-х.

Как датчик Холла измеряет ток

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, пропорциональное току. Если охватить провод магнитопроводом, а датчик Холла поставить в его зазор, выход датчика будет пропорционален току. Так получается бесконтактный датчик тока.

Обычно ток измеряют в разрыв цепи: амперметр с шунтом включают последовательно с нагрузкой, как описано в нашей инструкции по работе с мультиметром. У датчика Холла другие преимущества:

• цепь не нужно разрывать и вставлять в неё шунт;
• напряжение измеряемой линии не попадает в измерительную схему, это безопаснее;
• в отличие от трансформатора тока, датчик Холла измеряет и постоянный ток.

Ферритовое кольцо концентрирует поле тока на датчике. Влияние посторонних полей при этом падает в 100 раз и больше, а шум и дрейф улучшаются более чем в 20 раз. Если кольцо сделать разъёмным, получаются токовые клещи: их защёлкивают на проводе, не трогая схему. А если подать на датчик напряжение, пропорциональное напряжению нагрузки, его выход будет пропорционален мощности — так устроены ваттметры на эффекте Холла.

Как измерить эффект Холла в лаборатории

Холловские измерения — стандартный способ узнать концентрацию и подвижность носителей в полупроводниковом образце. Для них нужны три вещи: стабильный ток через образец, известное магнитное поле и вольтметр, который различит очень малое поперечное напряжение.

1. Ток через образец задают прецизионным источником тока. Например, источник тока CS580 выдаёт от 100 фА до 100 мА при напряжении до ±50 В: такой диапазон удобен для образцов с очень разным сопротивлением.
2. Магнитное поле создают постоянным магнитом или электромагнитом и измеряют откалиброванным зондом Холла.
3. Напряжение Холла в металлах и низкоомных образцах очень мало, поэтому нужен нановольтметр. Так, нановольтметр Keysight 34420A имеет чувствительность 100 пВ при собственном шуме 1,3 нВ (СКЗ).
4. Смещение нуля отделяют повторными измерениями при обратном направлении тока и поля. По формуле напряжение Холла меняет знак вместе с полем, а смещение от поля не зависит — разность результатов оставляет только холловскую часть.

Есть и тонкости геометрии. Если образец короткий, полное напряжение Холла развивается только вдали от токовых контактов: возле них поперечное напряжение закорачивается. А неоднородность материала может дать даже ложный знак эффекта, причём и при идеальном расположении контактов по схеме ван дер Пау.

Квантовый эффект Холла и эталон ома

В 1980 году Клаус фон Клитцинг исследовал кремниевые МОП-транзисторы в лаборатории сильных магнитных полей в Гренобле. В сильном поле и при низкой температуре он обнаружил, что холловское сопротивление двумерного электронного газа принимает строго квантованные значения. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1985 года.

Квантованное сопротивление равно R_K/ν, где ν — натуральное число, а R_K = h/e² — постоянная фон Клитцинга, около 25 812,807 45 Ом. Это значение не зависит ни от материала, ни от качества образца, поэтому квантовый эффект Холла стал основой эталонов электрического сопротивления:

• с 1990 года калибровки сопротивления по всему миру опирались на условное значение R_K-90 = 25 812,807 Ом;
• 16 ноября 2018 года Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала точные значения постоянной Планка h и элементарного заряда e, и с пересмотра СИ в 2019 году постоянная фон Клитцинга стала точной.

Так эффект, который Холл с трудом разглядел на пластинке золота, стал основой практического эталона ома. Как эталоны передают размер единицы рабочим приборам, мы рассказывали в статье о метрологии простыми словами.

Итог

• Эффект Холла — поперечное напряжение в проводнике с током в магнитном поле. Оно пропорционально току и индукции и обратно пропорционально толщине пластины и концентрации носителей.
• В металлах эффект очень мал, поэтому датчики делают из полупроводников и ставят рядом усилитель.
• Датчики Холла бесконтактно измеряют магнитное поле, постоянный и переменный ток, положение и скорость. На них работают токовые клещи, тесламетры, датчики ABS и износостойкие стики геймпадов.
• Для измерения эффекта Холла на образце нужны стабильный источник тока, нановольтметр и перестановка тока и поля для подавления смещения.
• Квантовый эффект Холла лежит в основе эталона ома: R_K = h/e² ≈ 25 812,807 45 Ом.