हॉल इफ़ेक्ट सेंसर्स: चुंबकीय क्षेत्र और विद्युत प्रवाह के समन्वय से आधुनिक उपकरणों का संचालन
१८७९ में एडविज हॉल द्वारा खोजी गई भौतिक घटना आज स्मार्टफोन से लेकर ऑटोमोबाइल वाहनों में सटीक नियंत्रण और संवेदन देने वाली बुनियादी टेक्नोलॉजी बन गई है।
अदृश्य चुंबकीय बल और बिजली का संगम
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और स्वचालित वाहनों में हमें दिखाई नहीं देते लेकिन लगातार कार्यरत रहने वाले सेंसरों में हॉल इफ़ेक्ट सेंसर सबसे महत्वपूर्ण है। किसी भी वाहन की गति मापनी हो, इंजन के क्रैंकशाफ्ट का सटीक घूर्णन जानना हो या फिर लैपटॉप का ढक्कन बंद होते ही स्क्रीन अपने आप बंद करनी हो, इस छोटी सी रचना के बिना यह संभव नहीं है। भौतिकी के बुनियादी सिद्धांत पर रचित यह सेंसर किसी सीधे यांत्रिक संपर्क (mechanical contact) के बिना केवल चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति दर्ज करके बिजली के संकेत पैदा करता है।
इस पूरी प्रक्रिया के पीछे हॉल इफ़ेक्ट (Hall effect) नाम की भौतिक घटना है। जब किसी विद्युत चालक से विद्युत प्रवाह गुजर रहा हो और उस पर समकोण पर चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाए, तब उस चालक की दोनों भुजाओं के बीच एक लंबवत वोल्टेज अंतर पैदा होता है। इस विशिष्ट विद्युत दबाव को हॉल वोल्टेज (Hall voltage) कहा जाता है.
ऐतिहासिक पृष्ठभूमि और एडविन हॉल की खोज
इस घटना की ऐतिहासिक शुरुआत उन्नीसवीं सदी के पूर्वार्ध में हुई थी। 1820 के दशक में आंद्रे-मैरी एम्पीयर ने निरीक्षण किया था कि चुंबकीय क्षेत्र में रखे चालक तार पर एक यांत्रिक बल लगता है। इसके बाद 1861-1862 की अवधि में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने अपने 'ऑन फिजिकल लाइन्स ऑफ फोर्स' शोध निबंध में विद्युतचुंबकत्व के लिए मजबूत गणितीय आधार रखा था।
मैक्सवेल के सिद्धांतों का अध्ययन करते समय अमेरिकी भौतिक विज्ञानी एडविन हॉल के मन में एक सवाल उठा। वे जानना चाहते थे कि चुंबकीय क्षेत्र सीधे चालक पदार्थ पर बल लगाता है या फिर उसके अंदर बहने वाले विद्युत प्रवाह पर? यदि यह बल केवल बहने वाले प्रवाह पर लगता हो, तो उसे विद्युत प्रवाह को चालक की एक तरफ धकेलना चाहिए, जिसके परिणामस्वरूप एक मापने योग्य छोटा वोल्टेज पैदा होना चाहिए।
- विद्युत प्रवाह का वहनवाहक पदार्थ से इलेक्ट्रॉन या अन्य चार्ज कैरियर नियमित दिशा में गति करते हैं।
- चुंबकीय क्षेत्र का प्रभावलंबवत चुंबकीय क्षेत्र जोड़े जाने पर गतिमान कणों पर लोरेंट्ज़ बल लागू होता है।
- कणों का स्थानांतरणबल के प्रभाव के तहत कण सीधे जाने के बजाय चालक की एक सतह की ओर मुड़कर जमा होते हैं।
- विद्युत क्षेत्र का निर्माणआमने-सामने की सतह पर धन और ऋण आवेश अलग होने से आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनता है।
- स्थिर हॉल वोल्टेजलोरेंट्ज़ बल और विद्युत बल संतुलित होने पर एक स्थिर वोल्टेज अंतर स्थापित होता है।
वर्ष 1879 में मैरीलैंड के बाल्टीमोर स्थित जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय में अपनी डॉक्टोरल डिग्री पर काम करते हुए एडविन हॉल ने प्रायोगिक रूप से यह वोल्टेज माप कर दिखाया। इलेक्ट्रॉन की खोज होने से अठारह साल पहले किया गया यह प्रयोग अत्यंत अद्भुत था। उन्होंने यह शोध 'ऑन अ न्यू एक्शन ऑफ द मैग्नेट ऑन इलेक्ट्रिक करेंट्स' शीर्षक के तहत प्रकाशित किया था।
यह सिद्धांत कैसे कार्य करता है: लोरेंत्ज बल और चार्ज विभाजन
किसी भी चालक तार में विद्युत प्रवाह यानी वास्तव में अनगिनत छोटे विद्युत भार वाहक (charge carriers) जैसे कि इलेक्ट्रॉन, होल्स या आयनों का वहन। जब कोई बाहरी चुंबकीय क्षेत्र मौजूद न हो तब ये कण अशुद्धियों या फोनोंस से टकराते-टकराते आमतौर पर सीधे मार्ग पर गति करते हैं।
परंतु जब चालक पर समकोण पर चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तब गतिमान कणों पर लोरेंत्ज़ बल (Lorentz force) लगता है। इस बल का सूत्र विद्युत आवेश, कणों के वेग और चुंबकीय क्षेत्र के गुणनफल के बराबर होता है। इस बल के कारण कण सीधे जाने के बजाय मुड़ जाते हैं और चालक की एक कोर की तरफ जमा होने लगते हैं।
एक तरफ ऋण आवेश जमा होने से उसकी सामने वाली सतह पर धन आवेश खुला पड़ता है। विद्युत आवेश का ऐसा असमान वितरण एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो लोरेंत्ज़ बल का विरोध करता है। संतुलन की स्थिति में ये दोनों बल परस्पर निरस्त होते हैं और जब तक प्रवाह बहता रहता है तब तक एक स्थिर हॉल वोल्टेज बना रहता है।
| संज्ञा | परिमाण / भौतिक राशि | असर |
|---|---|---|
| VH | हॉल वोल्टेज (Hall voltage) | परिणामी विद्युत दबाव |
| RH | हॉल गुणांक (Hall coefficient) | पदार्थ और वाहक घनत्व पर आधारित |
| Ix | विद्युत प्रवाह (Electric current) | प्रवाह बढ़ने पर वोल्टेज बढ़ता है |
| Bz | चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic field) | क्षेत्र प्रबल बनने पर वोल्टेज बढ़ता है |
| d | चालक की मोटाई (Thickness) | मोटाई कम होने पर वोल्टेज बढ़ता है |
गणना और पदार्थ गुणधर्म
हॉल वोल्टेज का गणितीय मान चालक के हॉल गुणांक (Hall coefficient), उसमें से बहने वाले विद्युत प्रवाह और चुंबकीय क्षेत्र के गुणनफल को चालक की मोटाई से विभाजित करने पर मिलता है। यह हॉल गुणांक उस पदार्थ का विशिष्ट गुणधर्म है, जो विद्युत प्रवाह बनाने वाले कणों की संख्या, प्रकार और उनकी घनत्व पर निर्भर करता है।
चालक की चौड़ाई इस समीकरण से अपने आप निकल जाती है, जिससे चालक की मोटाई जितनी कम हो उतना ही हॉल वोल्टेज अधिक स्पष्ट मिलता है। यही कारण है कि प्रयोगशालाओं और सेंसर निर्माण में अत्यधिक पतली पट्टियों या वेफर का उपयोग किया जाता है।
दिलचस्प बात यह है कि विद्युत आवेश धन हो या ऋण, लोरेंत्ज़ बल उन्हें एक ही दिशा में मोड़ता है। हालाँकि उत्पन्न होने वाले वोल्टेज की ध्रुवीयता (polarity) उलट जाती है। इस विशेषता के कारण ही विज्ञान जगत को पहली बार ठोस प्रमाण मिला था कि अधिकांश धातुओं में विद्युत प्रवाह प्रोटॉन द्वारा नहीं बल्कि गतिशील इलेक्ट्रॉन द्वारा बहता है।
आधुनिक उपकरणों और सेमीकंडक्टर में महत्व
शुद्ध धातुओं में मुक्त इलेक्ट्रॉन का घनत्व बहुत अधिक होने से हॉल गुणांक कम रहता है, परिणामस्वरूप मिलने वाला वोल्टेज भी बहुत छोटा होता है। परंतु सिलिकॉन और जर्मेनियम जैसे सेमीकंडक्टर (semiconductor) पदार्थों में चार्ज कैरियर की संख्या सीमित होने से उनमें तुलनात्मक रूप से बहुत बड़ा हॉल वोल्टेज प्राप्त किया जा सकता है। एन-डॉप्टेड (N-doped) या पी-डॉप्टेड (P-doped) जर्मेनियम वेफर इस सिद्धांत को अत्यंत सटीक रूप से प्रदर्शित करते हैं।
इस सिद्धांत पर आधारित आधुनिक सेंसर आज रोबोटिक्स, मोबाइल गैजेट्स और औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में अग्रणी भूमिका निभाते हैं। कोई यांत्रिक घिसाव न होने के कारण ये सेंसर धूल, नमी या कंपन के बीच भी वर्षों तक सटीक परिणाम देते हैं, जो आज के डिजिटल युग में अत्यंत अनिवार्य है।
