Eigenbau-Hall-Element
Meine
Tochter lernt im Physikunterricht gerade etwas zum Thema
magnetisches
Feld und Hall-Effekt. Mit dem Hall-Effekt lässt sich die
magnetische Flussdichte messen. Da kam mir der Gedanke, dass eine solche Messung auch praktisch
realisiert werden könnte. Hall-Sensoren kann man natürlich
kaufen, aber selber bauen ist viel interessanter. Nach der Theorie
kommt es darauf an, eine möglichst dünne Folie
zu verwenden, die Länge und die Breite sind dagegen egal.
Ich möchte es mit Kupfer versuchen, weil es in Form von
Platinenmaterial gut zu verarbeiten ist. Zwar weiß ich, dass
Kupfer das denkbar ungünstigste Material ist, weil es eine sehr
kleine Hall-Konstante hat. Aber es gibt ja inzwischen extrem starke
Magnete, damit müsste man den Effekt nachweisen können.
Also
habe ich einen OPV auf die größte Verstärkung getrimmt,
die mir sinnvoll erschien. Die Spannungsverstärkung wird hier
durch das Verhältnis der beiden Widerstände 2,2 MOhm und 330
Ohm festgelegt und beträgt 6.667-fach. Dazu verwende
ich eine Brückenschaltung für das Messgerät. Das Poti
dient zum Feinabgleich. Man könnte also bei genauer
Nullpunkteinstellung im Millivoltbereich messen und damit
Hallspannungen weit unter einem Mikrovolt auswerten.
Alles
mal auf die Schnelle aufgebaut und getestet: Es ist sehr kniffelig, den
Nullpunkt zu justieren. Der Verstärker hat seine eigene
Stromversorgung. Mit dem Labornetzteil schicke ich genau 1 Ampere durch
den Hallsensor. Dann muss der Nullpunkt neu justiert werden.
Jetzt
kommt der große Augenblick: Ein extrem starker Neodym-Magnet wird
unter den Sensor gelegt. Die Ausgangsspannung ändert sich
tatsächlich um einige Millivolt. Allerdings gibt es mehrere
Effekte, die die Messung stören. Jede Bewegung des Magneten
erzeugt eine Induktionsspannung in den Zuleitungsdrähten, die
wesentlich größer ist als die Hallspannung. Man muss
jedesmal etwas warten, bis die Messwerte wieder stabil stehen.
Außerdem gibt es bei so kleinen Messspannungen Probleme mit
Thermospannungen, die auf Temperaturunterschiede
zurückzuführen sind. Deshalb sollte sich kein Lüftchen
bewegen. Man darf sich nicht bewegen und sollte nach Möglichkeit
auch noch die Luft anhalten.
Alles in allem zeigen die
Versuche aber einen Unterschied von insgesamt 4 mV, wenn ich den
Magneten umpole, also eine verstärkte Hallspannung von 2 mV.
Wie
stark ist also der Magnet? Der Ingenieur rechnet zuerst und lässt
dann bauen. Der Bastler dagegen baut gleich drauflos und rechnet
später. Aber nur wenn es sich nicht vermeiden lässt, so
wie hier. Also:
Die Hallspannung beträgt Uh = Ah * I * B / d
Kupfer hat eine Hallkonstante von Ah = -5,3 * 10^-11 m³/C
d = 35 µm ist die Dicke der Kupferschicht.
Für B = 1 T und I = 1 A kommt dabei eine Hallspannung von Uh = 1,5 µV heraus.
Das ganze noch einmal 6.667-fach verstärkt bringt 10 mV.
Die Schaltung hat also eine Empfindlichkeit von 10 mV pro Tesla.
Das
Ergebnis der Messung: Mein Magnet bringt es auf 2 mV und hat demnach
eine magnetische Flussdichte von 0,2 T. Das hört sich realistisch
an, theoretisch möglich wären bis zu 1,4 T. Der Sensor ist insgesamt noch nicht ganz
praxistauglich. Wenn man ihn verbessern wollte, müsste er kleiner werden, und
auch der Verstärker müsste möglichst kompakt werden und ein Gehäuse bekommen.
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