Eigenbau-Hall-Element

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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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