Un’auto moderna non può fare a meno di un sensore Hall

Si tratta di una minuscola scatola situata nel vano motore, di cui la maggior parte dei conducenti non ha idea, anche se l’auto non si avvia nemmeno senza di essa. Stiamo parlando del sensore Hall, che ha semplificato e facilitato molte cose nel campo della tecnologia, e la cui presenza ce ne accorgiamo solo quando smette di funzionare.

È a questo problema che dedicheremo l’articolo di oggi.

Scoperta, cenni storici

Nel 1861-1862, James Clerk Maxwell fece una ricerca che rivoluzionò la teoria dell’elettromagnetismo. Descrisse, i risultati di questi studi in una pubblicazione in quattro volumi intitolata “Sulle linee fisiche di forza”, o sulle linee fisiche di forza. Sebbene le sue opinioni non fossero confermate dalla matematica di quel tempo, oggi consideriamo questo scienziato il fondatore della moderna teoria dell’elettromagnetismo.

Mentre Maxwell lavorava sul lato matematico della sua teoria, molti scienziati la testavano nella pratica. Un argomento importante in quest’area è stata l’interazione tra magneti e corrente elettrica, nonché la relazione tra conduttori e campi magnetici.

Nel 1879, questo effetto fu studiato da Edwin Hall, che scoprì il fenomeno che in seguito prese il suo nome, mentre lavorava alla sua tesi di dottorato alla Johns Hopkins University di Baltimora.

Tuttavia, la prima applicazione pratica (sperimentale) è avvenuta solo 18 anni dopo.

Fenomeno

Secondo la definizione, l’effetto è il seguente: se la corrente scorre in un conduttore o semiconduttore posto in un campo magnetico, le particelle conduttrici della corrente (elettroni nel caso dei metalli) sono interessate dal cosiddetto Forza di Lorentz, il che significa che c’è una differenza di potenziale su entrambi i lati del conduttore. Questa tensione è chiamata tensione di Hall.

La tensione di Hall è abbastanza grande da neutralizzare la forza di Lorentz sopra menzionata sulle particelle cariche:

UH = – (I ∙ B) / (q ∙ n ∙ d)

Dove:

• UH – Tensione di Hall
• I – corrente
• B – induzione magnetica
• q – tariffa base
• n – concentrazione di particelle cariche
• d – spessore del conduttore parallelo a B

In poche parole, l’essenza dell’effetto Hall è che se una corrente passa attraverso un materiale (conduttore/semiconduttore) e il campo magnetico è perpendicolare alla direzione della corrente, gli elettroni che lo attraversano deviano in una direzione. Questa deviazione è determinata sia dalla direzione del campo magnetico e dalla corrente che lo attraversa.

La suddetta tensione di Hall è dovuta al fatto che ci sono più elettroni su un lato del materiale e meno sull’altro, quindi si crea una differenza di potenziale tra i due lati.

Questo fenomeno è utilizzato in vari tipi di sensori, tra cui:

• Sensori lineari: La tensione di uscita varia con l’intensità del campo magnetico
• Uscite segnale logico:
  • Sensori unipolari: viene mantenuto un segnale di uscita continuo quando l’intensità del campo magnetico raggiunge un certo livello.
  • Sensori bipolari: si accendono quando un polo è vicino e si spengono quando l’altro è vicino.
  • Sensori multipolari: Quando vengono avvicinati, si attivano indipendentemente dalla direzione della magnetizzazione.

Gli studi teorici sull’effetto Hall variano ampiamente, quindi non li approfondiremo.

Applicazione pratica

Quelli sopra elencati sono le forme più comuni di sensori Hall. Forse il più comune di questi è il sensore bipolare, utilizzato nell’industria per il rilevamento della posizione.

Uno degli esempi più comuni è il rilevamento della posizione del rotore dei motori elettrici CC senza spazzole e la commutazione dei transistor nell’ordine corretto.

Questa funzione iniziò ad essere utilizzata nelle tastiere dei computer negli anni ’60, ma era ancora considerata costosa, quindi fu inizialmente utilizzata in unità critiche per la sicurezza (ad esempio utilizzate per scopi militari). Sebbene la tecnologia fosse costosa, funzionava in modo molto affidabile e prevedibile.

Al giorno d’oggi, i sensori possono essere prodotti molto più economici, quindi sono comuni anche in molti dispositivi periferici (ad esempio la rotellina del mouse del computer).

Inoltre, viene utilizzato anche nella tecnologia di misurazione (contatori di corrente con lucchetti), come convertitore di linea e in innumerevoli altri settori.

Applicazione nell’industria automobilistica

Anche l’uso nelle autovetture si basa sullo stesso principio.

Se il trasmettitore riceve una tensione (ad es. 12 V), la corrente lo attraverserà. Come risultato del movimento del magnete nelle sue vicinanze, si crea una tensione rilevabile.

Poiché ci sono relativamente molte parti mobili nei veicoli, i sensori Hall possono essere trovati in molti posti. Nelle implementazioni pratiche più semplici, il sensore monitora la rotazione, quindi di solito c’è un disco circolare con piccoli magneti davanti al sensore. In questa forma, il sensore Hall può essere trovato, ad esempio, nei sensori di posizione angolare dell’albero principale e dell’albero a camme o nei sensori ABS.

Il sensore Hall funge anche da segnale di accensione. In questo caso il magnete è in una posizione fissa e la piastra forata ruota davanti ad esso.

I sensori Hall sono utilizzati anche in alcuni veicoli negli indicatori del carburante. Il sensore viene utilizzato per rilevare la posizione del galleggiante all’interno del serbatoio del carburante.

Vantaggi, materiali utilizzati

Il sensore Hall funziona davvero bene se la mobilità degli elettroni è bassa. Ciò limita il gruppo di materiali adatti ai sensori Hall:

• Arseniuro di Gallio (GaAs)
• Arseniuro di Indio (InAs)
• Fosfuro di indio (InP)
• Antimoniuro di indio (InSb)
• Grafene

Sebbene questi materiali non siano necessariamente economici, è necessaria una quantità minima per realizzare un pezzo. Sebbene il sensore Hall sia un dispositivo molto preciso, la sua produzione è ancora redditizia. La vita utile è molto più lunga rispetto, ad esempio, a un interruttore automatico utilizzato nel sistema di accensione delle autovetture.

Inoltre, non bisogna dimenticare le dimensioni: il sensore Hall è estremamente compatto, quindi può essere facilmente installato in molti luoghi senza bisogno di grosse modifiche.

Dagli anni ’70, il sensore Hall è considerato un elemento indispensabile nell’industria automobilistica, quindi non sembra che nessun altro dispositivo funzionante con lo stesso principio possa sostituirlo dal mercato.

Fonte:

• https://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetismo/effetto-hall.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect
• https://autotechnika.hu/cikkek/futomu/2166/intelligens-hall-kerekforgas-erzekelo
• https://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect_sensor#/media/File:Hall_sensor_tach.gif
• https://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect_sensor#/media/File:Clutch_with_Hall_Effect_sensor.jpg