Merenje DC struja strujnim klještima (Hallov efekat)

Dijagram Holovog efekta na kome su prikazani elektroni kao nosioci naelektrisanja (umesto standardnih nosioca naelektrisanja). Legenda: 1. Elektroni (a ne standardni nosioci naelektrisanja) 2. Holov element ili Holov senzor 3. Magneti 4. Magnetsko polje 5. Izvor napajanja Opis: Na crtežu „A“, vidimo Holov element, unutar koga se negativna naelektrisanja usmeravaju ka gornjoj ivici (osenčena plavom bojom) a pozitivna ka donjoj ivici (osenčenoj crvenom bojom). Na slikama „B“ i „C“, su prikazane posledice obrtanja polariteta bilo magnetnog polja, bilo izvora struje, usled čega se menja polarizacija i smer kretanja naelektrisanja. Istovremeno obrtanje polariteta magnetnog ponja (prikazano na slici „D“) dovodi do istovetne situacije kao na crtežu „A“.

Merenje DC struja strujnim klještima (Hallov efekat)

Da bismo klasičnim ampermetrima merili velike struje bilo bi neophodno prekidati strujna kola kroz koja protiče i po nekoliko stotina ili čak hiljada ampera. Osim toga, takve struje često protiču kroz veoma dugačke energetske kablove koji se ne mogu prekidati na proizvoljnom mestu radi umetanja ampermetra. Zato je osmišljen specijalan instrument koji omogućava da se veoma velike struje mere beskontaktno i bez razvezivanja kola korišćenjem principa magnetske indukcije. Ovakvi instrumenti se primenjuju tako da jednim svojim delom obuhvate provodnik i oko njega stvore konturu kroz koju će se indukovati odgovarajuća EMS. Da bi se provodnik mogao obuhvatiti, a potom oko njega zatvoriti petlja, koristi se mehanizam sa oprugom koji podseća na klešta, pa su po tome ovi instrumenti dobili ime strujna klešta.

Prednost strujnih klešta ogleda se u tome što ne zahtevaju prekid strujnog kola radi obavljanja merenja, a beskontaktno merenje znatno smanjuje uticaj na veličinu koja se meri. Mana strujnih klešta je što merena struja mora biti velika, kako bi se dobio odziv prihvatljive amplitude koja bi se mogla meriti sa prihvatljivo malom greškom. Osim toga, magnetsko polje mora imati promenljiv fluks kroz konturu strujnih klešta da bi se generisala dovoljna EMS, koja se može detektovati. Da bi se omogućilo merenje u jednosmernom režimu, konstruišu se specijalna strujna klešta na bazi Hallovog efekta.

Postoje dvije glavne vrste klješta: analogni i digitalni. Stariji tip klješta naziva se analogna strujna klješta. Igla na skali pokazuje trenutno očitavanje. Digitalni strujna klješta su češća i novija od analognih jer su lakši za čitanje i često imaju više funkcija.

Za merenje jednosmerne struje možemo koristiti strujna klješta, ali morate biti oprezni jer sva strujna klješta ne mogu meriti jednosmerne struje, ako imate klješta bez ove funkcije, samo za naizmeničnu struju nećete moći meriti jednosmerne struje.

Prilikom merenja jednosmernih struja moramo na neki način da poništimo uticaj stranih magnetnih polja, to ne postoji kod merenja naizmeničnih struja. Takođe se mora uzeti u obzir da žice pokrivene kleštima moraju imati isti smer struje, od plusa do minusa ili obrnuto. Pošto bi različiti pravci struje doveli do pogrešnog rezultata očitavanja.

Prilikom merenja naizmeničnih struja strujnim klještima, pri postavljanju selektora na mereni položaj ACA, bez žice u čeljustima strujnih klješta, ako su strujne stezaljke ispravne, pokazuju 0A, pri merenju jednosmernih struja strujnim klještima, pri podešavanju selektora. do položaja merenja DCA, bez žice u čeljustima strujnih klješta, dobijamo neku vrednost različitu od nule.

Za merenje naizmenične struje normalna stezaljka koristi neku vrstu zavojnice smeštene u čeljusti koja radi kao transformator, dok se za merenje jednosmerne struje koristi senzor Hallovog efekta.

Strujna klješta sa Hallovim efektom koriste kruto gvozdeno jezgro da koncentrišu magnetno polje koje okružuje provodnik na kome želimo da izmerimo struju, u tradicionalnim samo naizmeničnim stezaljkama, dva dela metalnog jezgra zavojnice moraju da stupe u kontakt jedan sa drugim kada su klješta zatvorena.

Kod strujnih klješta sa Hallovim efektom moramo voditi računa o tački gde se čeljust zatvara, jer se ovde obično nalazi senzor Hallovog efekta, postoji mali vazdušni zazor gde se spajaju vrhovi čeljusti merača sa efektom Hall kroz koji prolazi magnetno polje mora da prođe, ovaj jaz ograničava magnetni fluks kako bi se izbeglo zasićenje jezgra.

U DC strujnim klještima senzor Hallovog efekta se nalazi u toj tački zazora i koji je prekriven tankim slojem plastike, senzor Hallovog efekta je vrsta pretvarača koji stapa svoj izlazni napon sa magnetnim poljem oko sebe, u ovom slučaju magnetni polje indukovano žicom koja se meri na metalnom jezgru, njegova svrha je stoga da direktno meri magnetni fluks, izlazni napon ovog senzora se pojačava i obrađuje da predstavlja struju koja teče kroz kabl unutar čeljusti stezaljke.

Senzor Hallovog efekta je osetljiv na promenljiva, ali takođe statička magnetna polja.

Da odgovorimo na početno pitanje zašto u našem slučaju strujna klješta u funkciji jednosmerne struje mere različitu vrednost struje, bez povezivanja ni na jedan kabl, odgovor na ovo pitanje je da unutar Zemlje. Metalno jezgro koje rotira unutar Zemlje stvara magnetno polje koji se, na primer, koristi za orijentaciju pomoću kompasa, ali koji u slučaju DC strujnih klješta dovodi do početnog merenja bez povezivanja na bilo koji kabl, zbog ovoga se početno merenje bez kabla mora nulirati, na ovaj način možemo eliminisati ili kompenzovati magnetna polja okoline, posebno ona Zemlje koja se razlikuju od onih koje generiše kabl iz kojeg želimo da merimo njegovu struju, naravno moramo da vodimo računa da magnete ne približimo čeljusti jer to utiče na merenje senzora Hallovog efekta.

Hallov efekat je proizvodnja razlike potencijala (Holovog napona) preko električnog provodnika koja je poprečna na električnu struju u provodniku i na primenjeno magnetno polje okomito na struju. Otkrio ga je Edvin Hol 1879. godine.

Hol je na ovom eksperimentu počeo da radi pripremajući svoju doktorsku disertaciju. Hol je zapravo pokušao da odgovori na pitanje koje je ranije postavio Maksvel a glasi: da li se električna otpornost provodnika u obliku zavojnice menja u prisustvu magneta?

Ovim eksperimentom, Hol je osmislio način kojim je moguće odrediti polaritet slobodnih nosioca naelektrisanja u nekom materijalu. U širim naučnim krugovima, Holov eksperiment je poslužio kao prvi dokaz da se struja u metalnim provodnicima može prenositi ne samo negativnim već i pozitivnim naelektrisanjima. Interesantno je da je ovaj eksperiment poslužio i kao smernica da je u nekim supstancama (posebno poluprovodnicima) uputnije pozitivna naelektrisanja posmatrati kao pozitivne „rupe“ a ne kao negativne elektrone. Kod Holovog efekta primenjenog na aluminijum i magnezijum, eksperimetnalne vrednosti su jasno ukazale na pozitivan predznak nosioca naelektrisanja, odnosno postojanje pozitivnih „rupa“. Ovim otkrićem je direktno raspršeno tadašnje verovanje u naučnim krugovima po kome su elektroni isključivi prenosioci naelektrisanja.

Lord Kelvin, koji je u to vreme bio jedan od najpoznatinih naučnika, uporedio je Holovo otkriće sa, po njemu najvećim od svih otkrića, Majkla Faradeja. Veličina Holovog otkrića postaje još veća ako se zna koliko se malo znalo o elektricitetu u to vreme. Ilustracije radi, elektron je identifikovan tek 10 godina kasnije.