Effet Hall


Effet Hall
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Illustration de l'effet hall pour différents sens du courant et du champ magnétique.
Légende :
1. Électrons (et non le sens conventionnel !)
2. Élément ou capteur à effet Hall
3. Aimants
4. Champ magnétique
5. Source de courant
Dans le dessin A, une charge négative apparait à la bordure haute de l'élément (couleur bleue), et une charge positive à sa bordure basse (couleur rouge). En B et C, l'inversion du sens du courant ou de celui du champs magnétique provoque l'inversion de cette polarisation. En D, la double inversion du courant électrique et du champs magnétique donnent à l'élément la même polarisation qu'en A.
Dessins réalisés en utilisant le logiciel POV-Ray.

L'effet Hall dit « classique » a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall[1] : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.

Sous certaines conditions, cette tension croît par paliers, effet caractéristique de la physique quantique, c'est l'effet Hall quantique entier ou l'effet Hall quantique fractionnaire.

Sommaire

Principe

Principe de l'effet Hall dans un conducteur filiforme à section rectangulaire.

Lorsqu'un courant traverse un barreau en matériau semi-conducteur (ou conducteur), et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension, appelée tension Hall, proportionnelle au champ magnétique et au courant apparaît sur les faces latérales du barreau.

Cette tension est proportionnelle à la vitesse de déplacement des porteurs de charge qui est considérablement plus grande dans les matériaux semi-conducteurs que dans les conducteurs métalliques.

La physique classique de l'effet Hall

Force magnétique de Lorentz et force électrique de Hall dans un conducteur parcouru par un courant et soumis à un champ magnétique.

Un champ magnétique agit sur les charges en mouvement. Le courant qui traverse le matériau conducteur est produit par des charges (les électrons libres) qui se déplacent avec une vitesse que l'on notera \vec{v}.

Ces électrons sont donc soumis à une force \vec{F}_m =-e.\vec{v}\wedge\vec{B} (force de Lorentz), où e correspond à la charge d'un électron. Il en découle un déplacement d'électrons et une concentration de charges négatives sur l'un des côtés du matériau ainsi qu'un déficit de charges négatives du côté opposé. Cette distribution de charge donne naissance à la tension Hall VHall ainsi qu'à un champ électrique EH.

Ce champ électrique est responsable d'une force électrique qui agit sur les électrons : \vec{F}_e=-e.\vec{E}_H (force de Coulomb). L'équilibre est atteint lorsque la somme des deux forces est nulle (deuxième loi de Newton). On peut alors écrire \vec{E}_H=-\vec{v}\wedge\vec{B}.

Applications

Les capteurs à Effet Hall permettent de mesurer :

  • Les champs magnétiques (Teslamètres)
  • L'intensité des courants électriques : capteurs de courant à Effet Hall. (ex: pince ampèremétrique à Effet Hall)
  • Ils permettent également la réalisation de capteurs ou des détecteurs de position sans contact, utilisés notamment dans l'automobile, pour la détection de position d'un arbre tournant (boîte à vitesse, cardans, ...).
  • On trouve également des capteurs à effet Hall dans les systèmes de mesure de vitesse pour le matériel ferroviaire.
  • On trouve également des capteurs à effet Hall sous les touches des claviers des instruments de musique modernes (orgues, orgues numériques, synthétiseurs) évitant ainsi l'usure que subissaient les contacteurs électriques traditionnels.

L'effet Hall est parfois utilisé dans le domaine des satellites artificiels, plus précisément dans la conception des propulseurs de ces satellites.

Références

  1. Edwin Herbert Hall, « On a New Action of the Magnet on Electric Currents », dans American Journal of Mathematics, American Journal of Mathematics, Vol. 2, No. 3, vol. 2, no 3, 1879, p. 287–92 [texte intégral, lien DOI (pages consultées le 2010-10-13)] 

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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