Hallsonden

Geräte, mit denen man Magnetfelder messen kann, nennen sich Hall-Sonden oder Hall-Sensoren. Sie basieren auf dem sogenannten Hall-Effekt, den der US-amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall erstmals 1879 beweisen konnte. Diese Entdeckung gilt im Forschungsgebiet der elektrischen Eigenschaften von Metallen als bahnbrechender Meilenstein.

Was besagt der Hall-Effekt?

Wenn sich ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld befindet, tritt der sogenannte Hall-Effekt auf. Dabei entsteht eine elektrische Spannung, die senkrecht zur Stromfluss- und Magnetfeldrichtung steht.
Diese Hallspannung berechnet sich durch die Stromstärke I, die magnetische Flussdichte B, die Dicke der Halbleiter-Probe d und die sogenannte Hallkonstante :



: ist eine Materialkonstante und wird in Kubikmeter pro Coulomb angegeben. Sie leitet sich aus der elektrischen Feldstärke E_y, der elektrischen Stromdichte j_x und der magnetischen Flussdichte ab:



Die Elektronen werden durch die Lorentzkraft abgelenkt, wodurch auf einer Seite des Leiters ein Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite ein Elektronenmangel entsteht. Diese Ladungstrennung ruft ein elektrisches Feld (Hallspannung) hervor, das gegen die Lorentzkraft arbeitet und diese sogar kompensieren kann. Die entstehende Hallspannung verändert sich abhängig von Strom- und Magnetfeldänderungen unmittelbar.

Für das Verständnis der Funktionsweise von Hall-Sonden ist der Hall-Effekt zwingend erforderlich.

Wie funktionieren Hall-Sonden?

Beim Aufbau von Hall-Sonden greift man meistens auf dünne, kristalline Halbleiter-Schichten zurück, die mit vier Elektroden bestückt sind. Über zwei gegenüberliegende Elektroden wird Strom eingespeist. Die orthogonal dazu liegenden Elektroden erfassen die Hallspannung.

Für die Anwendung der stromdurchflossenen Hall-Sonde führt man diese in ein dazu senkrecht stehendes Magnetfeld ein. Die nun messbare Hallspannung ist proportional zur magnetischen Feldstärke und zum Strom (Beweglichkeit der Ladungsträger). Ausgehend von der Stromstärke lässt sich das Magnetfeld messen. Umgekehrt kann die Hall-Sonde aber auch die Stromstärke messen. Wird das Magnetfeld durch einen stromdurchflossenen Leiter (z.B. eine Spule) erzeugt, lässt sich die Stromstärke potentialfrei ermitteln.

Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für Hall-Sonden?

Neben der Messung von magnetischer Flussdichte und Stromstärke finden Hall-Sonden noch in weiteren Bereichen Verwendung, darunter:

  • Berührungs- und kontaktlose Signalgeber
  • Magnetfeld-Kameras
  • Bestimmung von Schichtdicken
  • Automobilindustrie (Gurtschloss, Türschließsystem, Getriebeschaltung etc.)
  • Lageerfassung bewegter Dauermagnete


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