Hall-Sonde

Eine Hall-Sonde ist ein Messgerät zur Bestimmung der Stärke von Magnetfeldern. Das Magnetfeld selbst wird in A/m (Ampere pro Meter) oder Oersted gemessen. In Naturwissenschaften und Technik ist man jedoch mehr an die Maßeinheit Tesla gewöhnt, die für die magnetische Flussdichte verwendet wird. Deshalb zeigen die Hall-Sonden meist den Wert der magnetischen Flussdichte in Tesla an. Ebenso könnte eine Hall-Sonde konstruiert werden, die in einem Magnetfeld direkt den Wert für die Kraft auf ein bestimmtes Eisenstück angibt.

Nutzung des Hall-Effekts für Hall-Sonden

Die Hall-Sonde nutzt den Hall-Effekt zur Bestimmung der magnetischen Flussdichte. Aufgrund der Lorentzkraft wirkt auf Ladungsträger, die sich in einem Magnetfeld bewegen, eine Kraft senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungsträger. Diese werden dadurch zu einer Seite des Ladungsträgers hingedrängt. Gefunden hat den Hall-Effekt der US-amerikanische Physiker Edwin Hall im Jahr 1879.

Die Lorentzkraft ist eine Kraft, die immer auf bewegte Ladungen in Magnetfeldern wirkt. Wenn man nun einen Strom an ein Metallplättchen anlegt, welches sich in einem Magnetfeld befindet, so wirkt eine Kraft auf die Träger des Stroms, also die Elektronen.

Die Richtung der Kraft steht dabei senkrecht auf die Bewegungsrichtung der Elektronen und senkrecht auf das Magnetfeld. Die Formel für die Lorentzkraft \(\vec{F}\) auf Ladungsträger der Geschwindigkeit \(\vec{v}\) in der magnetischen Flussdichte \(\vec{B}\) lautet \(\vec{F}=q\vec{v}{\times{\vec{B}}}\), wobei q die Ladung bezeichnet. Für Elektronen gilt demnach \(\vec{F}=-e\vec{v}{\times{\vec{B}}}\), da die Ladung des Elektrons gerade eine negative Elementarladung e beträgt. Auf positive Ladungen würde gerade eine entgegengesetzt gerichtete Kraft wirken. Der Hall-Effekt kann also auch genutzt werden, um festzustellen, dass die Teilchen, die beim Stromfluss in Bewegung sind (also die Elektronen), eine negative Ladung tragen und keine positive.

Im stromdurchflossenen Plättchen der Hall-Sonde werden die Elektronen nun senkrecht aus ihrer Bewegungsrichtung verschoben und sammeln sich in Richtung einer Seite des Plättchens. Dadurch kommt es über der Breite des Plättchens zu einer elektrischen Spannung, die proportional zum Magnetfeld ist, welches gemessen werden soll. Aus dem Wert der sogenannten Hall-Spannung U über dem Plättchen kann also mit Hilfe einer weiteren Umrechnung der gleichzeitig wirkenden elektrischen Kräfte, die mit der Lorentzkraft im Gleichgewicht sind, das äußere Magnetfeld angegeben werden, in welchem sich das Plättchen befindet.