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Messung von Magnetfeldern

Hall-Element

Ein Hall-Element funktioniert nach dem Prinzip des Hall-Effektes. Dieser wurde von dem englischen Physiker Edwin H. Hall (1855-1938) entdeckt und entsteht an einem stromdurchflossenen Festkörper, der sich in einem senkrecht zum Stromfluss angeordneten Magnetfeld befindet.

Abb.1
Aufbau eines Hall-Elementes

Durch die Lorentz-Kraft werden die Elektronen senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt. Durch diese Verschiebung der Ladung wird eine Spannung erzeugt. Diese Hall-Spannung ( U H ) hängt von der magnetischen Flussdichte (B), der Stromstärke (I), der Dicke des Materials (d) und der Ladungsträgerdichte (n) sowie der Elementarladung (e) nach folgender Beziehung ab:

U H = 1 n e I B d

Um eine möglichst große Hall-Spannung zu erzeugen, sollte die Schichtdicke des Materials sehr viel kleiner sein als die Kantenlänge und der spezifische Widerstand des Materials sollte möglichst groß sein. Da die entstehende Hall-Spannung proportional zur magnetischen Flussdichte ist, können mit Hilfe von Hall-Elementen Wechsel- und Gleich-Magnetfelder gemessen werden. Der Vorteil von Hall-Elementen ist, dass sie in einem großen Frequenzbereich linear arbeiten. Nachteilig ist bei ihnen die starke Temperaturabhängigkeit und die kleinen Ausgangssignale, die über einen Verstärker geleitet werden müssen. Außerdem muss beim Hall-Element immer eine Spannungskorrektur vorgenommen werden, da sich die beiden Spannungsmesser-Anschlüsse nicht exakt gegenüberstehen und dadurch schon eine kleine Spannung bereits ohne Magnetfeld aufgebaut wird.

Hall-Elemente können gut miniaturisiert und auf einem Mikrochip mit den entsprechenden Korrekturschaltungen untergebracht werden. Durch die billige Massenproduktion werden Hall-Elemente auch zur Positionserfassung, Drehzahl-, Strommessung und für diverse Überwachungsfunktionen im Kfz-Bereich eingesetzt. Sie bestehen aus Halbleitermaterialien, weil bei Metallen z.B. die Leitfähigkeit zu hoch ist und dadurch der Hall-Winkel der Ablenkung der Ladungen zu gering ausfallen würde.

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